TU Wien entwickelt magnetische Kopplung für Herzpumpen

Winzige Katheterpumpen können das Herz unterstützen. An der TU Wien fand man eine Methode, in solchen Pumpen auf engstem Raum ein hohes Drehmoment zu übertragen.

Manchmal braucht das Herz ein bisschen Hilfe. Wenn seine Pumpleistung nicht mehr ausreicht, kann man Katheterpumpen einsetzen, die das Blut direkt aus dem Ventrikel des Herzens ansaugen und weiterpumpen. Dabei gibt es allerdings technische Herausforderungen zu bewältigen: Eine Seite der Pumpe muss direkt in Kontakt mit dem Blut kommen, doch das Blut soll nicht in den Motor gelangen.

Eine Möglichkeit ist, die Pumpe in zwei völlig getrennte Bereiche zu teilen. Dann muss die Drehbewegung des Motors mit Hilfe von Magnetfeldern durch eine für das Blut undurchdringliche Trennwand hindurch magnetisch auf den anderen Teil der Pumpe übertragen werden. An der TU Wien entwickelte man nun eine spezielle Magnetkupplung, die diese Übertragung der Drehbewegung auf engstem Raum ermöglicht. Damit kann ein um 30% höheres Drehmoment übertragen werden als mit bisherigen Kopplungsvarianten.

Axiale und radiale Kopplungen

„Es gibt Herzkatheterpumpen, aus denen permanent eine Zuckerlösung strömt, um das Blut am Hereinströmen in den Motor zu hindern“, sagt Christoph Janeczek vom Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung der TU Wien. „Doch die viel elegantere Lösung ist, den Motorteil vom Blut hermetisch zu trennen. Dann muss man das Drehmoment des Antriebsstrangs durch ein Magnetfeld in den anderen Teil der Pumpe übertragen.“

Magnetkupplungen gibt es in vielen technischen Bereichen, in unterschiedlichen geometrischen Ausführungen. Die beiden Teile können axial angeordnet sein, wie die Hälften eines Stabes, den man einfach in der Mitte auseinander schneidet. Wenn man mehrere magnetische Pole passend anordnet, bewirkt die Drehung des einen Teils dann berührungslos eine Drehung des anderen Teils. Allerdings kommt es dabei zu einer magnetischen Anziehung der beiden Teile entlang der Achse, wodurch der Motor der Herzpumpe zusätzlich belastet wird. Außerdem kann auf diese Weise nur ein recht kleines Drehmoment übertragen werden.

Bei anderen Magnetkupplungen sind die Magnetpole radial angeordnet: Der eine Teil der Kopplung umfasst den anderen von außen. Damit lassen sich größere Drehmomente übertragen, doch der Platzbedarf ist deutlich größer.

Klein und trotzdem stark

„Bei der Arbeit an einer neuartigen Herzkatheterpumpe erkannten wir, dass wir einen Weg finden müssen, die Vorteile dieser beiden Varianten zu vereinen“, sagt Janeczek. „Das ist uns mit einer neuen, ganz einfachen geometrischen Struktur gelungen, die wir auch bereits patentiert haben.“

Ein entscheidendes Element der neuen Kopplung ist eine einfache, aber höchst effektive Ummantelung aus Bimetall, die zwei Permanentmagnete umfasst. Die Geometrie wurde so ausgetüftelt, dass die Kopplung nun sowohl axiale als auch radiale Anteile hat. Dadurch kann die Pumpe miniaturisiert werden – sie misst nur fünf bis sechs Millimeter im Durchmesser – und trotzdem bleibt sie stark genug: In Experimenten konnte nachgewiesen werden, dass die neue Magnetkopplung ein um 30% größeres Drehmoment übertragen kann als herkömmliche Kopplungen derselben Größe.

„Wir hoffen, dass unsere Idee möglichst bald Menschen, die an einer Herzinsuffizienz leiden, unterstützen kann“, sagt Janeczek. „Derzeit suchen wir nach Industriepartnern, damit unsere Pumpe den Weg aus dem Universitätslabor in die Operationssäle findet. Außerdem könnten bestehende Herzpumpen durch diese Technologie weiter miniaturisiert werden.“ Derzeit wird außerdem untersucht, inwieweit man die Technologie auch in anderen medizinischen Bereichen nutzen könnte – etwa zur Unterstützung der Lunge.

Die Patentierung der Magnetkopplung erfolgte mit Unterstützung des Forschungs- und Transfersupports der TU Wien.

Nähere technische Details: https://www.tuwien.at/fileadmin/Assets/dienstleister/forschungs-_und_transfersupport/TO/7_Analytical_Instruments/Dokumente/TUWien_2014-002_Miniaturised_magnetic_coupling.pdf

Das Biofluids Lab der TU Wien: https://biofluidslab.tuwien.ac.at/mission/