Biomechanische Systeme mit intelligenten Werkstoffen zur Anwendung in vollständig implantierbaren Herzunterstützungssystemen

Im Gegensatz zu herkömmlichen Werkstoffen reagieren intelligente Materialien selbstständig auf äußere Reize und verändern ihre Eigenschaften. Ein Beispiel sind elektroaktive Polymere, die durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ihre Form ändern. Aufgrund ihrer hohen Energieeffizienz und hohen erreichbaren Dehnungen bieten sie ein großes Potenzial, als Aktuatoren genutzt zu werden. Durch das Kontrollieren der äußeren Reize lassen sich die Eigenschaften dieser Materialien bewusst steuern. Damit kann die Funktion eines Bauteils in der Struktur selbst integriert werden. Das ermöglicht neue Perspektiven im Produktdesign und eröffnet ein breites Einsatzfeld, vom klassischen Maschinenbau bis hin zur Medizintechnik. Ziel des Projektes smartHeart ist die Untersuchung von Aktuatoren mit intelligenten Werkstoffen zur Anwendung auf ein Herzunterstützungssystem. Mithilfe von modernen numerischen Berechnungsmethoden werden verschiedene Aktuatordesigns abgebildet und optimiert. Als ein mögliches Beispiel für einen Aktuator mit intelligenten Werkstoffen ist das Wirkprinzip eines HASEL-Aktuators in der Abbildung links oben dargestellt. Um diese Ziele zu erreichen, besteht eine Kooperation mit der Firma AdjuCor GmbH, die innovative Konzepte und Medizingeräte zur minimalinvasiven und blutkontaktlosen Herzunterstützung für herzinsuffiziente Patienten entwickelt. Diese Kooperation ermöglicht die Anwendung und Verifizierung der Forschungsergebnisse. Ein Vorteil der Anwendung von intelligenten Werkstoffen in diesem Fall ist, dass eine hydraulische oder pneumatische Zuleitung zu einer extrakorporalen Antriebseinheit umgangen werden könnte. Eventuelle Infektionsrisiken würden wegfallen und damit die Lebensqualität der Patienten deutlich verbessern.

Literatur

• [1] E. Acome et al., "Hydraulically amplified selfhealing electrostatic actuators with muscle-like performance", in Science 359.6371, pp. 61-65 (2018).
• [2] Z. Zhang et al., "New silicone dielectric elastomers with a high dielectric constant", in Modeling, Signal Processing, and Control for Smart Structures (2008).