Jeder, der schon mal einen gebrochenen Fuß, einen Bänderriss oder eine Rückenverletzung hatte, kennt das Problem: Monatelang mit wenig eleganten und noch weniger bequemen Bandagen, Schienen oder Korsetten leben. Die sogenannten Orthesen stabilisieren die betroffenen Gelenke, Korsette helfen bei Fehlstellungen der Wirbelsäule. Da diese jedoch zum großen Teil aus harten und unflexiblen Materialien bestehen, sind sie nicht nur schwer und umständlich an- und auszuziehen, sie führen oft zu schmerzhaften Druckstellen und sogar zu Entzündungen.

An der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat der Materialwissenschaftler Dr.-Ing. Michael Timmermann eine neue, biologisch inspirierte Methode entwickelt, elastische Materialien so zu strukturieren, dass sie sich versteifen, sobald sie gedehnt werden und anschließend in ihren Ursprungszustand zurückzukehren. So sollen die Orthesen nicht nur bequemer werden, es sollen sich auch flexible Bauteile für die Soft-Robotik herstellen lassen.

„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. Sogenannte dehnungsversteifende Materialien könnten den Tragekomfort dagegen 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. Solche Materialien sind zwar nicht ganz neu und existieren zum Beispiel bereits in speziellen Schutzkleidungen, in Orthesen sind sie jedoch bisher nicht einsetzbar. Sie sind zu weich und versteifen nur, wenn sie extrem schnell gedehnt werden. Außerdem können nicht immer in ihren Ursprungszustand zurückkehren.

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

Natur als Vorbild

Timmermann hat im Rahmen seiner Doktorarbeit eine Methode entwickelt, mit der sich beispielsweise Silikon so strukturieren lässt, dass es sich unabhängig von der Geschwindigkeit versteift und auch in seinen Ursprungszustand zurückkehren kann. Parallel verlaufende Lamellen werden dabei auseinandergezogen, kommen sie miteinander in Kontakt, versteift sich die Struktur wieder. Der Zeitpunkt und Grad der Versteifung lässt sich durch eine gezielte Variation der Lamellenform bezüglich Länge, Dicke oder den Abstand zueinander genau bestimmen.

Das Verfahren kann bei allen elastischen Materialien ohne chemische Zusatzstoffe wie Gleitmittel angewendet werden. Äußeren Faktoren wie Luftfeuchtigkeit oder Temperatur haben keinen Einfluss. „Man kann das Ausgangsmaterial also relativ frei wählen, je nachdem, wofür es nachher eingesetzt werden soll“, erläutert Timmermann.

Timmermann wurde bei der Entwicklung des Verfahrens von der Natur inspiriert. Natürliche Zellen, wie zum Beispiel Blutgefäße, 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 oder durch den Pulsschlag, passen sie sich an, indem sie sogenannte Stressfasern bilden: Proteine verbinden die Polymerfasern untereinander, stabilisieren sie so und die Zelle versteift sich, um sich selbst zu schützen. Timmermann untersuchte im Rahmen seiner Doktorarbeit, wie man die Vorgänge im Inneren der Zelle auf das Verhalten von elastischen Materialien übertragen kann.

Das Material kehrt in seinen ursprünglichen Zustand zurück.
© Siekmann, CAU

Auch in flexibler Soft-Robotik einsetzbar

Die von Timmermann entwickelte Methode könnte in Zukunft nicht nur für bequemere Orthesen, sondern auch im Bereich Soft-Robotik angewendet werden. Es könnten sowohl Robotik-Systeme entwickelt werden, die auf der klassischen Kombination von starren Achsen und Gelenken basieren, als auch solche, die flexible Bewegungen – ähnlich den Tentakeln von Tintenfischen – ermöglichen. „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.

Langfristig hat sich der Wissenschaftler zum Ziel gesetzt, eine Software zu entwickeln, „die für jede Einsatzmöglichkeit dehnungsversteifender Materialien die passende Kombination aus Ausgangsmaterial und geometrischer Struktur ermittelt“. Passgenau hergestellt werden könnte es durch 3D-Druckverfahren. „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.“

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.

Timmermann stellt seine Methode auf der Hannover Messe vom 1. bis 5. April am Stand der CAU vor (Halle 2, C07).