Bionik und Medizintechnik

Schüler der Natur

Ein zartes Insekt mit langen Beinen und zarten Flügeln sitzt auf einem silbern-weißem Gerät mit einem Bohrer an der Spitze.

Inspiriert vom Bohrstachel der Holzwespe: der Sirex Knochenbohrer, den die Gruppe „Bionik und Medizintechnik“ des Fraunhofer IPA entwickelt hat.

Quelle: Peter Hilger/Fraunhofer IPA

Ein medizinischer Bohrer, der arbeitet wie der Legestachel von Holzwespen, eine Knochenstanze, die wie eine Anakonda Knochensplitter schluckt und nicht wieder hergibt – Oliver Schwarz und sein Team am Fraunhofer IPA in Stuttgart nutzen Prinzipien aus der Tier- und Pflanzenwelt, um innovative medizintechnische Produkte zu entwickeln. Unternehmen können mit konkreten Problemstellungen an die interdisziplinäre Gruppe „Bionik und Medizintechnik“ herantreten. Doch die Branche tut sich noch schwer damit, den Schatz an Ideen, den die Natur bietet, zu heben. von Ulrich Kraft

Portrait eines smarten Mannes mit dunklen kurzen Haaren und Brille, der in die Kamera lächelt.

Sein Herz schlägt für die Tier- und Pflanzenwelt: Oliver Schwarz.

Quelle: Rainer Bez/Fraunhofer IPA

Der Berufsweg von Oliver Schwarz ist nicht unbedingt das, was man auf neudeutsch als straight bezeichnet. Doch eines zieht sich wie ein roter Faden durch seine Karriere: ein ausgeprägtes Faible für Tiere und Pflanzen. Schon während des Studiums der technischen Biologie beschränkte er sich nicht auf die Schwerpunktthemen Mikrobiologie, Gen- und Verfahrenstechnik, sondern belegte freiwillige Zusatzkurse wie Insektenkunde. Später absolvierte er ein Volontariat am Stuttgarter Naturkundemuseum, um „meine botanischen Kenntnisse auszubauen“, so Schwarz. Dann arbeitete er an der Landesanstalt für Bienenkunde der Universität Hohenheim und führte dort unter anderem das Bienenhaus, bevor er für gut zwei Jahre in die Wirtschaft ging. Neben dem Job als Produktmanager im Bereich Telemedizin absolvierte er noch per Fernstudium den Master für Business Administration. Von diesen vielfältigen Erfahrungen profitiert heute das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart. Dort leitet Oliver Schwarz die Gruppe „Bionik und Medizintechnik“, die er vor knapp zehn Jahren selbst mitbegründet hat.

Unter dem ständigen Druck, sich an unterschiedlichste Lebensräume und -bedingungen möglichst optimal anzupassen, hat die Tier- und Pflanzenwelt im Laufe der Evolution eine Vielzahl genialer Prinzipien und raffinierter Lösungen hervor gebracht. „Diese Biointelligenz wollen wir nutzen, um neue, bessere Produkte für die Medizintechnik zu entwickeln“, erläutert Schwarz. Der Transfer aus der Natur in den technologischen Bereich sei das, was die Bionik für ihn so faszinierend und spannend macht, sagt der 46-Jährige, und die Begeisterung für sein Spezialgebiet ist ihm dabei anzumerken.

Medizintechnik prädestiniert für bionische Lösungen

Elektrotechniker, Mechatroniker, Maschinenbauer, technische Biologen – sein Team ist bunt gemischt. Das Spektrum reicht von Sportwissenschaftlern und Medizinern über Physiotherapeuten und Designer bis hin zu Informatikern und Kybernetikern. „Diese Interdisziplinarität braucht es, um eine Idee auch erfolgreich umsetzen zu können“, betont Schwarz. Nach seiner Überzeugung ist die Medizintechnik eigentlich das perfekte Feld für bionische Lösungen. „Gerade in der Medizin muss man sich ja immer überlegen, wie es die Natur macht.“ Eine Grundregel der Bionik sei: Augen aufmachen, sich in der Tier- und Pflanzenwelt umschauen und dabei immer wieder hinterfragen, warum dies oder jenes genau so aufgebaut ist, wie es aufgebaut ist. „In der Natur ist nichts einfach so da“, sagt Oliver Schwarz. „Es gibt für alles einen Grund.“

Rechts ist eine rosa Form zu sehen, vorn dreieckig mit Spitze nach oben, hinten hufeisenförmit mit Rundung nach unten. Links ist zum Größenvergleich ein Streichholz abgebildet, was mindestens doppelt so groß ist.

Tröpfchenweise wird flüssiger Kunststoff auf eine winzige Prothesenform aufgetragen. Die künstliche Venenklappe kann davon einfach abgezogen werden.

Quelle: Rainer Bez/Fraunhofer IPA

Sehr genau hingeschaut haben die Stuttgarter bei einem innovativen Produkt, das sie zusammen mit dem Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik der Rheinisch-Westfälischen technischen Hochschule (RWTH) Aachen und Partnern aus der Industrie entwickelt haben: eine künstliche Venenklappe. Venenklappen fungieren als Rückschlagventile, die sich nur in eine Richtung öffnen und so dafür sorgen, dass das Blut in den Venen ausschließlich zum Herzen fließt und nicht in die Gegenrichtung. Mit zunehmendem Alter schließen die Klappen aber bei vielen Menschen nicht mehr richtig, so dass das Blut der Schwerkraft folgen kann.

Einerseits im geschlossenen Zustand dicht zu halten, anderseits geöffnet möglichst wenig Raum einzunehmen, damit der Blutstrom nicht behindert wird – diesen Spagat schaffen die Venenklappen dadurch, dass Dicke und Härte des Gewebes von innen nach außen variieren. Fachleute sprechen von einem Gradientenmaterial. Um diese in der Natur üblichen fließenden Übergänge künstlich zu schaffen, hat das Team um Oliver Schwarz eine Art 3D-Drucker mit einer speziellen Tröpfchendosiertechnik entwickelt. „Das Werkzeug ermöglicht es, verschiedene Härtegrade eines flüssigen Kunstoffs miteinander zu kombinieren und sie sehr präzise auf Freiformflächen aufzubringen“, berichtet der Bioniker. Pro Sekunde spritzt der Piezodosierer bis zu 100 winzige Tröpfchen nach einem vorgegebenen Plan Schicht für Schicht auf die Prothesenform, von der sich der Klappenersatz am Ende einfach abziehen lässt.

Oberflächenbeschichtung imitiert Blutgefäßwand

Als Werkstoff verwenden die Wissenschaftler Polycarbonaturethan (PCU). Das Polymer bleibt selbst bei sehr geringen Schichtdicken belastbar und flexibel – genau wie die hauchfeinen Segel der echten Venenklappen. Allerdings birgt jedes körperfremde Material im Blutkreislauf die Gefahr, dass sich dort Blutgerinnsel bilden. Um das zu verhindern, orientieren sich die Fraunhofer-Forscher wiederum am Vorbild Natur und beschichten das PCU-Gerüst mit kurzkettigen Kohlehydraten. „Wir imitieren die Glycocalix auf der Wand der Endothelzellen, die das menschliche Blutgefäßsystem auskleiden“, erläutert Schwarz. „Weil diese Camouflage die Oberfläche biokompatibler macht, sinkt das Risiko, dass Thromben entstehen.“ Entstanden ist die Beschichtung im Rahmen einer Kooperation mit der Hemoteq AG in Würselen.

„Beim Lotuseffekt sind von der Entdeckung bis zur ersten technischen Anwendung gut 20 Jahre vergangen.“


Die künstlichen Klappen werden nicht per Operation, sondern minimal-invasiv mit einem Katheter in die Vene implantiert. Verankert sind sie mit einem dünnen Draht aus Nitinol, dem wohl bekanntesten Vertreter der Formgedächtnis-Legierungen, der sich an der vorgesehenen Stelle ausklappt. Die Stuttgarter haben bereits die komplette Produktionsanlage mit allen erforderlichen Komponenten wie Reinraumbox und Trocknungssystem gebaut. Doch ein Medizintechnikunternehmen, das in die Weiterentwicklung zum marktreifen Produkt einsteigt, hat sich bis dato nicht gefunden.

Raspeln statt bohren

Eine Holzwespe sitzt auf einem grünen Blatt, welches an einem grünen Stengel wächst. Der Hintergrund ist verschwommen in verschiedenen Grüntönen.

Der Stachel der Holzwespe besteht aus drei separaten Raspeln, die sich unabhängig voneinander bewegen.

Quelle: Philipp/Fotolia

Dass bahnbrechende Innovationen manchmal erfordern, sich von althergebrachten Vorstellungen komplett zu verabschieden, zeigt ein weiteres Projekt der Gruppe: der Sirex Bohrer. Schon seit der Jungsteinzeit bohrt der Mensch drehend. Diese Drill-Technik hat aber einige Schwächen: Sie erfordert einen relativ hohen Anpressdruck sowie eine gewisse Rotationsgeschwindigkeit, und man kann nur gerade bohren. Zudem sind die entstehenden Löcher immer rund. Welchen Nachteil das mit sich bringt, weiß jeder Heimwerker. Um beispielsweise ein Regal verdrehsicher an die Wand zu schrauben, braucht er zwei Dübellöcher.

Holzwespen bohren bis zu sechs Zentimeter tiefe Hohlräume in Stämme und Äste, in die sie ihre Eier ablegen. Da Rotationen den Insekten unmöglich sind, besteht ihr Legestachel aus drei separaten Raspeln, die sich unabhängig voneinander vor und zurück bewegen. Während ein Teil raspelt, verhaken sich die anderen im Loch und geben so den nötigen Halt. Durch das ausgeklügelte Wechselspiel frisst sich das Trio praktisch von selbst ins Holz und ohne, dass das Tier seinen filigranen Chitin-Stachel andrücken muss wie besagter Heimwerker die Bohrmaschine. Dieses Pendelhubprinzip haben die Bioniker des Fraunhofer IPA auf ihren Bohrer übertragen. „Ein entscheidender Pluspunkt gegenüber der herkömmlichen Drill-Methode ist, dass sich jede beliebige Loch-Geometrie erzeugen lässt“, sagt Oliver Schwarz. „Dreieckig, viereckig, oval, gerade, gebogen – alles möglich.“

Eine medizinische Anwendung für den Holzwespenstachel-Nachbau hat das Team bereits gefunden: die Implantation eines künstlichen Hüftgelenks. Damit das Implantat nach der Operation fest sitzt und sich nicht verdrehen kann, bohrt der Chirurg einen rechteckigen Hohlraum in den Oberschenkelknochen. Diese Arbeit, bei der er sehr exakt vorgehen muss, wird größtenteils von Hand mit verschiedenen Raspeln erledigt. Mit dem pneumatisch betriebenen Gerät aus der Stuttgarter Ideenschmiede kann der Arzt den Knochen sehr präzise und mit wenig Aufwand aushöhlen. Das Design haben die Konstrukteure mit Chirurgen abgestimmt. Der Raspelkopf kann mit einem einfachen Handgriff gewechselt werden, zum Sterilisieren lässt sich der Apparat problemlos zerlegen, das angepeilte Gewicht von 1,5 Kilogramm gewährleistet gutes Handling. „Um unseren Bohrer möglichst bald in der Hüftimplantologie zur Anwendung zu bringen, führen wir gerade Gespräche mit Medizintechnikunternehmen“, berichtet Oliver Schwarz.

Schlangenschlund mit Raubtierzähnen

Ein silbernes Gerät mit einem langen schmalem oberen Teil und einem zangenförmigen Griff in einer Hand ist zu sehen. Die Spitze ist mit dem Bild einer fauchenden Katze verbunden, das vordere Mittelteil mit dem Skelett eines Schlangenkopfes.

Bei der Fraunhofer-Knochenstanze standen Schlangen und Raubtiere Pate.

Quelle: Fraunhofer IP/Fotolia

Bei der Knochenstanze, die Schwarz und sein Team modifiziert haben, standen gleich zwei Vorbilder aus der Natur Pate: Schlangen und Raubtiere. Die üblichen Stanzen können nur eine kleine Menge Knochenmaterial aufnehmen, ohne zu verstopfen. Deshalb muss der Arzt sie nach dem Abknipsen herausziehen, entleeren und erneut einführen. Insbesondere bei Eingriffen an der Wirbelsäule, die durch den Bauchraum erfolgen, birgt das die Gefahr, dass dabei die empfindlichen Eingeweide verletzt werden. Praktischer für den Operateur und schonender für den Patienten wäre ein Mechanismus, der die Stanzen in einen Vorratsbehälter abtransportiert und dort sicher verwahrt. Auf der Suche nach einer Lösung überlegten die Fraunhofer-Forscher zunächst, welcher biologische Vorgang dem technischen Begriff „transportieren“ entspricht – und landeten schnell beim Schlucken. Das tun viele Tiere, doch bei Würgeschlangen ist der Schluckprozess besonders interessant. „Durch ihre nach hinten gerichteten Zähne wird die Beute mit jeder Kieferbewegung tiefer in den Schlund geschoben“, erläutert Schwarz. „Und – noch wichtiger – was sie geschluckt haben, kommt nicht mehr heraus.“

Knochenstanze speichert Knochensplitter

Nach diesem Anakonda-Prinzip, wie die Stuttgarter es nennen, arbeitet ihre neuartige Knochenstanze, die bis zu 40 Knochenresektate in einer integrierten Einweg-Patrone speichert. Die Handhabung entspricht den gängigen Modellen, so dass die Ärzte nicht umlernen müssen. Optimiert wurden aber die Schneiden an der Spitze des Geräts. Sie sind den auf das Durchtrennen von Fleisch, Knochen, Knorpel und Sehnen spezialisierten Reißzähnen von Raubtieren nachempfunden. „Das sorgt für saubere Schnitte und reduziert den Kraftaufwand um bis zu 50 Prozent“, sagt Schwarz.

Die Modifizierung der Knochenstanze wurde vom Medizintechnikhersteller S. u. A. Martin beauftragt, die derzeit auf den Abschluss des Zulassungsverfahrens für den US-Markt wartet. Das Unternehmen aus Rietheim-Weilheim formulierte ein Problem, für das die Bioniker am Fraunhofer-Institut dann Lösungen entwickelten. Top-down-Prozess heißt diese Vorgehensweise, die Oliver Schwarz und sein Team eigentlich bevorzugen. Bei einem Bottom-up-Prozess hingegen wird ausgehend von einem biologischen Prinzip überlegt, welche technischen Anwendungsmöglichkeiten es dafür geben könnte. Wie erfolgreich das sein kann, zeigt der Klettverschluss. Den erfand der Schweizer Ingenieur George de Mestal, weil er die Klettfrüchte, die er im Fell seines Hundes fand, unter dem Mikroskop untersuchte. Nichtsdestotrotz würde Oliver Schwarz sich wünschen, dass Medizintechnik-Unternehmen häufiger mit einer konkreten Fragestellung an ihn herantreten. „Die Natur bietet einen unglaublichen Schatz an Ideen für innovative Produkte“, sagt er. „Man muss ihn nur heben.“

Mehr im Internet:

Über die Gruppe „Bionik und Medizintechnik“ am Fraunhofer IPA


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