Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Simulationsgestützte Entwicklung einer flexiblen Technologie zur Umsetzung biomimetischer, lang-zeitresorbierbarer funktionaler und stabiler Trommelfellimplantate

Membranen sind in Medizin und Technik fest etabliert und erfüllen vielfältige Aufgaben. Sie stellen für den Leichtbau innovative, in der Regel dünne, steife und häufig mehraxial beanspruchte Materialien dar, um unterschiedlichste Funktionen zu erfüllen. Dazu tragen nicht nur die Steifigkeit und Festigkeit von Membranen sondern auch die Beeinflussung der Vibroakustik durch Anordnung unterschiedlicher Lagenaufbauten bei. Zu den besonderen Eigenschaften solcher Membranen zählen u. a. ein geringes Eigengewicht durch Leichtbauweise und die Möglichkeiten, große, komplexe Formen zu generieren. In der Medizin kommen lediglich einfache nachgiebige Membrankonstruktionen zum Einsatz, z. B. für die Dialyse, als Trägermaterial für Zellen im Tissue Engineering oder in Zellreaktoren. Für die Entwicklung komplexer Membrankonstruktionen gibt es zwar Ähnlichkeiten mit den Membransystemen im Leichtbau, jedoch kann man bei der Umsetzung nicht auf diese zurückgreifen.

Deshalb soll im vorliegenden Forschungsvorhaben grundlegendes Basiswissen für die simulationsgestützte Entwicklung einer flexiblen Technologie zur Umsetzung gradierter Strukturkomposite mit einer Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten erarbeitet werden. Als Beispiel für solche Strukturkomposite soll eine biomimetische, langzeitresorbierbare, funktionale und stabile Membran entwickelt werden, die sich als Trommelfellimplantat eignet. Dafür soll, basierend auf einem langsam abbauenden Biomaterial, zunächst die Technologie etabliert werden, da die Grundlagen für derartige lastangepasste Strukturen mit maßgeblichen Eigenschaften im Akustikbereich fehlen.

Die wirtschaftlich-technischen Erfolgsaussichten für eine zeitnahe, breite und nachhaltige Nutzung der Projektergebnisse durch KMU wird aufgrund der volkswirtschaftlichen Relevanz und des hohen Bedarfs für innovative Implantate in der Medizintechnik sehr hoch eingeschätzt. Damit ergibt sich konkretes Nutzen für KMU die Schaffung eines fundierten Basiswissens zur Bereitstellung einer Technologie zur Realisierung neuartiger, kostengünstiger Trommelfellimplantate. Einen direkten Nutzen können die Biomaterialhersteller als Rohstofflieferanten für die Medizinprodukte haben. Ein unmittelbarer Nutzen entsteht für KMU der Prüfmaschinenhersteller.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojektes 20533 BR wurde eine flexible Technologie zur Herstellung biomimetischer, langzeitresorbierbarer, funktionaler und stabiler Trommelfellimplantate auf Basis der Biopolymere PCL und Seide entwickelt. Die Implantate wurden mittels der Elektrospinntechnologie hergestellt, die konstruktiv-technologisch um Module erweitert wurde, mit deren Hilfe orientierte Faserbereiche, eine Kombination von mikro- und nanoskaligen Fasern sowie die Integration von vorkristallisierten Verstärkungsfilamenten ermöglicht wurde. Damit können die akusto-mechanischen Eigenschaften der generierten Membranen präzise an die des nativen Trommelfells angepasst werden. Um zeit- und kostenintensive trial-and-error-Versuche zu vermeiden, wurden Simulationsmodelle entwickelt, die anhand der Spinnlösungs- und Elektrospinnparameter die resultieren Faser- und Membraneigenschaften präzise vorhersagen können. Die entwickelten Trommelfellmembranen wurden intensiv evaluiert und es konnte gezeigt werden, dass sie die Schwingungseigenschaften eines perforierten menschlichen Trommelfells im Felsenbeinpräparat exakt rekonstruieren können und darüber hinaus eine einfache operative Handhabung besitzen.

Im Vergleich zu den größtenteils verwendeten autologen Ersatzmaterialien besitzen die neuartigen Implantate ein deutlich verbessertes Schwingungsverhalten, sind zytokompatibel und resorbierbar. Damit steigern sie den Therapieerfolg und ersparen Patienten eine zusätzliche Operation an der Spenderstelle.

Die Erkenntnisse aus dem Projekt können branchenübergreifend genutzt werden. Vor allem die überwiegend KMU aus den Bereichen Textil- und Sondermaschinenbau, Biomaterialien und Medizintechnik sind potenzielle Nutzer der erzielten Ergebnisse, weil sie sich durch die Erweiterung der Produktpalette ihren Anteil am jährlich wachsenden Medizintechnik-Markt sichern können.