Bequemere Bandagen und flexible Robotik

Mit besonders strukturierten elastischen Materialien will Materialwissenschaftler Michael Timmermann von der Uni Kiel Orthesen bequemer machen. © Siekmann, CAU

Nach Bänderrissen stabilisieren Bandagen die betroffenen Gelenke, Korsette helfen bei Fehlstellungen der Wirbelsäule. Als äußere Hilfsmittel tragen diese sogenannten Orthesen zur Heilung von geschädigten Körperteilen bei, im Gegensatz zu Prothesen, die sie vollständig ersetzen. Harte Bestandteile in den verwendeten Materialien führen jedoch oft zu schmerzhaften Druckstellen.

Materialwissenschaftler Dr.-Ing. Michael Timmermann von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat eine biologisch inspirierte Methode entwickelt, um elastische Materialien so zu strukturieren, dass sie sich versteifen, sobald sie gedehnt werden. Anschließend kehren sie in ihren Ursprungszustand zurück.

Damit sollen sich nicht nur bequemere Orthesen herstellen lassen, sondern auch flexible Bauteile für die Soft-Robotik. Seine Methode stellt Timmermann auf der Hannover Messe vom 1. bis 5. April am Stand der CAU vor (Halle 2, C07).

Starre Orthesen können Hautentzündungen auslösen, sind umständlich an- und auszuziehen, oft schwer oder unästhetisch. „Harte Materialien können gerade bei älteren Patienten dazu führen, dass sie auf eine eigentlich notwendige Behandlung mit Orthesen verzichten“, macht Dr.-Ing. Michael Timmermann deutlich. Nach seiner Ansicht könnten sogenannte dehnungsversteifende Materialien den Tragekomfort deutlich erhöhen: „Diese Art von elastischen Materialien ist sehr flexibel. Werden sie über einen bestimmten Punkt hinaus gedehnt, versteifen sie automatisch und verhalten sich dann wie feste Materialien“, erklärt er ihre Vorteile. Zwar existieren solche Materialien bereits, zum Beispiel in speziellen Schutzkleidungen, in Orthesen sind sie jedoch bisher nicht einsetzbar. Bislang sind sie zu weich, versteifen nur, wenn sie extrem schnell gedehnt werden oder können nicht in ihren Ursprungszustand zurückkehren.

Im Rahmen seiner Doktorarbeit bei Professorin Christine Selhuber-Unkel, Leiterin der Arbeitsgruppe Biokompatible Nanomaterialien an der Technischen Fakultät, hat Timmermann eine Methode entwickelt, mit der sich Materialien wie beispielsweise Silikon so strukturieren lassen, dass sie sich reversibel und geschwindigkeitsunabhängig versteifen. Durch eine gezielte Bearbeitung entstehen im Material parallel verlaufende Lamellen. Wird es gedehnt, zum Beispiel auseinandergezogen, kommen die Lamellen miteinander in Kontakt und die Struktur versteift sich. Durch eine gezielte Variation der Lamellenform im Hinblick auf Länge, Dicke oder den Abstand zueinander, lässt sich Zeitpunkt und Grad der Versteifung genau bestimmen.

Anwenden lässt sich das Verfahren auf alle elastischen Materialien, ohne dass chemische Zusatzstoffe wie Gleitmittel nötig sind oder die Eigenschaften von äußeren Faktoren wie Luftfeuchtigkeit oder Temperatur beeinflusst werden. „Man kann das Ausgangsmaterial also relativ frei wählen, je nachdem, wofür es nachher eingesetzt werden soll“, erläutert Timmermann.

Inspiriert vom Zellverhalten

Die Idee zur Entwicklung des Verfahrens kommt aus der Natur: Als Reaktion auf eine externe Verformung versteifen sich Zellen zu einem gewissen Grad, um sich so selbst zu schützen. Beispiele sind Zellen in den Wänden von Blutgefäßen, die sich durch Pulsschläge immer wieder ausdehnen. Zellen bestehen aus einer speziell angeordneten internen Struktur, dem Zytoskelett. Dieses Netzwerk aus Polymerfasern sorgt für die mechanische Stabilität der Zelle. Werden Zellen immer wieder gedehnt, z.B. als Teil des Bindegewebes, passen sie sich an, indem sie sogenannte Stressfasern bilden: Proteine verbinden die Polymerfasern untereinander, stabilisieren sie so und die Zelle versteift sich. Im Rahmen seiner Promotion untersuchte Timmermann, wie sich diese Vorgänge im Inneren der Zelle auf das Verhalten von elastischen Materialien übertragen lassen.

Auch in flexibler Soft-Robotik einsetzbar

Die Strukturierungsmethode für elastische Materialien könnte nicht nur für bequemere Orthesen eingesetzt werden, sondern auch im Bereich Soft-Robotik.
So ließen sich nicht nur Robotik-Systeme entwickeln, die auf der klassischen Kombination von starren Achsen und Gelenken basieren, sondern auch solche, die flexible Bewegungen ermöglichen, ähnlich den Tentakeln von Tintenfischen. „Dafür müssen sich Robotik-Systeme sehr frei und gleichzeitig sehr gezielt bewegen können. Hier könnte unsere Struktur mit ihrem wahlweise flexiblen oder steifen Verhalten einen hilfreichen Beitrag leisten“, hofft Timmermann.

Timmermanns langfristiges Ziel ist es, eine Software zu entwickeln, die für jede Einsatzmöglichkeit dehnungsversteifender Materialien die passende Kombination aus Ausgangsmaterial und geometrischer Struktur ermittelt. Das Ergebnis könnte per 3D-Druckverfahren passgenau hergestellt werden. „Zunächst bin ich aber auf der Suche nach Kooperationspartnern aus dem Bereich Orthopädie und Industrie, um gemeinsam eine Orthese zu entwickeln, die den Tragekomfort bei Patientinnen und Patienten erhöht“, so der Materialwissenschaftler. Auch an Industriepartnern für Soft-Robotik-Anwendungen ist er interessiert. Ein Patent für das Material hat er bereits erteilt bekommen.

Gefördert wurde das Vorhaben unter dem Titel „Strainstiff“ vom Europäischen Forschungsrat mit einem sogenannten Proof-of-Concept-Grant in Höhe von rund 150.000 Euro. Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung sollen damit schneller in die Anwendung gebracht werden.

Das Wichtigste in Kürze:
Vortrag: „A strain-stiffening structure inspired by nature“
Exponat: Digitale Infostele und Demonstratoren
Wer? Dr.-Ing. Michael Timmermann
Wann? Der englischsprachige Vortrag findet am Mittwoch, 3. April, um 11:00 Uhr statt sowie um 12:30 Uhr. Das Exponat ist vom 1. bis 5. April zu sehen.
Wo? CAU-Messestand C07 in Halle 2 „Research & Technology“, Messegelände (Eingang Nord 2), 30521 Hannover

CAU@Hannover Messe:
Nach 33 Jahren gehen die CEBIT und die Hannover Messe zusammen. Vom 1. bis 5. April zeigen über 6.000 Aussteller auf der Weltleitmesse der Industrie neueste Entwicklungen aus den Bereichen Digitalisierung, Industrie 4.0 und der Forschung. Mit dabei ist zum dritten Mal die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). In der Halle 2 „Research & Technology“ stellen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem echten Norden 17 inter- und transdisziplinäre Forschungsprojekte vor. 39 Bühnen-Präsentationen bieten zusätzlich den Schulterblick auf aktuelle Forschungsvorhaben zu Themen wie Batterieforschung, autonome Schifffahrt oder radargestützte Immissionsmessverfahren. Gemeinsame Podiumsdiskussionen mit dem schleswig-holsteinischen Bildungsministerium und Wirtschaftsministerium, ein parlamentarischer Abend und Mitmachangebote der Kieler Forschungswerkstatt runden das Angebot ab. Informationen unter http://www.uni-kiel.de/hannovermesse

Informationen zur Förderung Proof-of-Concept-Grant
Mit der Proof-of-Concept-Förderung sollen innovative Forschungsideen aus Projekten, die vom Europäischen Forschungsrat (ERC) bereits mit einem ERC-Grant gefördert wurden, auf ihre Anwendbarkeit geprüft und für den Markt weiterentwickelt werden. Die Fördersumme in Höhe von 150.000 Euro pro Projekt kann zum Beispiel eingesetzt werden für Marktforschung, Machbarkeitsstudien oder zur Erstellung eines Business-Plans. Mit dem Proof-of-Concept-Grant will der Europäische Forschungsrat eine Lücke schließen zwischen Grundlagenforschung und der ersten Phasen der Anwendung.
Mehr Informationen: https://erc.europa.eu/funding/proof-concept

Bildmaterial steht zum Download bereit:
http://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2019/079-orthese-1.jpg
Bildunterschrift: Mit besonders strukturierten elastischen Materialien will Materialwissenschaftler Michael Timmermann von der Uni Kiel Orthesen bequemer machen.
© Siekmann, CAU

http://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2019/079-orthese-2.jpg
Bildunterschrift: Ohne chemische Zusätze wird in ein elastisches Material – hier Silikon – eine Lamellenstruktur eingebracht. So bleibt es biokompatibel, also auch auf bloßer Haut gut verträglich.
© Siekmann, CAU

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Bildunterschrift: An beiden Enden auseinandergezogen nähern sich die eingefügten Lamellen einander an. Sobald sie sich berühren, versteift sich das ursprüngliche weiche Material.
© Siekmann, CAU

http://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2019/079-orthese-4.jpg
Bildunterschrift: Anschließend kehrt es in seinen ursprünglichen Zustand zurück.
© Siekmann, CAU

http://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2019/079-orthese-5.jpg
Bildunterschrift: Im Versuchsaufbau wird die Probe bis zu 50.000 Mal auseinandergezogen. Die besonderen Eigenschaften des Materials könnten neue Bewegungen in der Soft-Robotik ermöglichen.
© Siekmann, CAU

http://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2019/079-orthese-6.jpg
Bildunterschrift: Am Computer wertet Materialwissenschaftler Michael Timmermann die Auswirkungen der Belastung aus.
© Siekmann, CAU

http://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2019/079-orthese-7.png
Bildunterschrift: Inspiriert wurde die Lamellenstruktur des Materials von Vorgängen im Inneren von Zellen (oben). Das Zytoskelett (rot) sorgt für die Stabilität der Zelle. Dehnt sich die Oberfläche, auf der sie haftet, aus, vernetzten sich die Fasern des Zytoskeletts (rot) mit Proteinen (blau) – die Zelle versteift sich. Wird das speziell strukturierte Material (unten) gedehnt, verbinden sich die parallel verlaufenden Lamellen.
© Timmermann

http://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2019/079-orthese-8.png
Bildunterschrift: Wird die Probe aus Silikon am Mittelbackbone in beide Richtungen auseinandergezogen (rechts), berühren sich die Lamellen, das gesamte Material versteift sich. Wird keine Kraft mehr ausgeübt, kehrt das Material in seinen Ausgangszustand zurück.
© Timmermann

Kontakt:
Dr.-Ing. Michael Timmermann
Arbeitsgruppe „Biokompatible Nanomaterialien“
Universität Kiel
Telefon: +49 431 880-6286
E-Mail: mti@tf.uni-kiel.de
www: http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/bnano

Julia Siekmann
Wissenschaftskommunikation
Forschungsschwerpunkt Kiel Nano, Surface and Interface Science (KiNSIS)
Telefon: 0431/880-4855
E-Mail: jsiekmann@uv.uni-kiel.de
Web: www.kinsis.uni-kiel.de

Details, die nur Millionstel Millimeter groß sind: Damit beschäftigt sich der Forschungsschwerpunkt »Nanowissenschaften und Oberflächenforschung« (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Im Nanokosmos herrschen andere, nämlich quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Durch eine intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences zielt der Schwerpunkt darauf ab, die Systeme in dieser Dimension zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsbezogen umzusetzen. Molekulare Maschinen, neuartige Sensoren, bionische Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche Therapien und vieles mehr können daraus entstehen. Mehr Informationen auf www.kinsis.uni-kiel.de

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Dr.-Ing. Michael Timmermann
Arbeitsgruppe „Biokompatible Nanomaterialien“
Universität Kiel
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