 Werkstoffe werden “smart” und haben ein Gedächtnis
Fäden, die sich selbst verknoten, Spiralen, die sich an ihre ursprüngliche, gestreckte Form erinnern. Im Institut für Polymerforschung des GKSS Forschungszentrums in Teltow entwickelt das Team um Prof. Andreas Lendlein "Gedächnis-Kunststoffe", die nach einer Verformung zum vorher eingestellten Ausgangszustand zurückkehren.
Hierzu brauchen sie nur Wärme oder Licht als Auslöser. Die intelligenten Werkstoffe eröffnen zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in der Medizintechnik.
Vorsichtig führt der Arzt ein Mini-Instrument in das Knie ein. Durch die winzige Öffnung dringt kaum ein Tröpfchen Blut. Der Eingriff wird mit einem Endoskop überwacht. So wird der Patient geschont. Theoretisch. In Wirklichkeit sind viele minimal-invasive Eingriffe mit Risiken verbunden. In dem engen Operationsfeld kann der Chirurg komplexe Bewegungen, wie das Nähen der Wunde im Körperinneren, nur mit hohem Aufwand durchführen.
Die Lösung für das Problem findet sich in den Labors des GKSS Forschungszentrums in Teltow. Hier arbeitet Prof. Andreas Lendlein an einer neuen Generation von intelligenten Polymeren - Kunststoffe, die sich als chirurgische Nahtmaterialien selbst verknoten und später gewebeverträglich wieder auflösen. An der RWTH Aachen entwickelt der Professor in Kooperation mit privaten Unternehmen neue Medizinprodukte.
Lendlein testete die Fäden bereits erfolgreich an Ratten: lose um eine Wunde im Bauchraum gelegt, ziehen sie sich nach einer Erwärmung auf etwa vierzig Grad Celsius von selbst zusammen. Durch das Ausmaß der ursprünglichen Streckung lässt sich exakt kontrollieren, wie fest der Knoten nach Auslösen des Formgedächtnisses wird. Künftig kann ein Arzt winzige Wunden locker zusammennähen und später durch kurzes Erwärmen mit optimaler Festigkeit verschließen.
Denkbar sind auch Implantate, die in winziger Form in den Körper eingeführt, sich an richtiger Stelle zur gewünschten Größe entfalten. Wieder genügt die Temperaturerhöhung und der gestreckte Faden verwandelt sich in ein korkenzieherartiges Gebilde, ideal, um als künstliche Stütze verengte Blutgefäße oder etwa den Gallengang offen zu halten.
Bisher wurde der Formgedächtniseffekt bei Kunststoffen nur über Wärme ausgelöst. Im GKSS Institut für Polymerforschung in Teltow bei Berlin entwickelt Lendlein Polymere, die sich durch UV-Licht "rückverformen" lassen. Womit ein Chirurg zukünftig unabhängig von der Körpererwärmung agieren kann.
Mittlerweile greifen die Forscher um Professor Lendlein auf ein ganzes Baukastensystem bekannter Ausgangsstoffe zurück, um je nach Einsatzgebiet Materialien mit maßgeschneidertem Formgedächtnis zu liefern. Künftig sollen mehrere Kunststofformen im gleichen Werkstück gespeichert durch Impulse abrufbar werden. Denkbar sind auch Trägermaterialien für Medikamente, sogenannte Wirkstoffdepots für die kontrollierte Wirkstoffabgabe. Auf ein Signal hin werden die Poren des Kunststoffes geöffnet, damit die Medikamente in der exakten Dosis heraustreten.
Von der Natur inspiriert suchen andere Forschergruppen nach einer völlig neuen Generation von Werkstoffen – Smart Materials genannt – mit geradezu utopisch anmutenden Anwendungsmöglichkeiten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Materialien besitzen “Smart Materials” keine festgelegten Eigenschaften mehr, sondern variieren diese selbsttätig aufgrund von äußeren Einflüssen. Die Vision umfasst Leitern, die bei Überlastung ein Warnsignal abgeben ebenso wie Gebäude und Brücken, die sich während eines Erdbebens selbsttätig verstärken und entstandene Risse wieder verschließen. Die Grundbausteine solcher “intelligenter Werkstoffe” sind:  | Aktuatoren und Motoren, die sich wie Muskeln verhalten,
| | Sensoren, die als Nerven und Gedächtnis dienen,
| | Kommunikations- und Rechner-Netze, die das maschinelle Gehirn und Rückenmark repräsentieren. |
Ein Beispiel für ein solches adaptives System ist ein Ski des Herstellers Head. Er enthält Fasern aus einem piezokeramischen Material und kann damit unerwünschte Vibrationen selbsttätig ausgleichen. Die Flatterbewegungen versorgen den Ski gleichzeitig mit der nötigen elektrischen Energie. Besonders vielschichtig sind die Einsatzmöglichkeiten für smarte Materialien im Automobil der Zukunft.
Hier sind der Phantasie der Ingenieure kaum Grenzen gesetzt. Orakelt ein Forscher über das Automobil nach 2050: “Das windschlüpfrige Gefährt ist aus “Smart Materials” aufgebaut. Diese anpassungsfähigen Werkstoffe sind elastisch und können auf Hitze, Kälte und mechanische Einwirkungen selbständig reagieren. Vermutlich besitzt es eine intelligente Knautschzone, die sich nach einem leichten Unfall wieder in ihre ursprüngliche Form zurückverwandelt.” |
