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Virtuelle Produktentwicklung Feinste Strukturen in der Mikrofluidik virtuell optimieren

| Autor / Redakteur: Catrin Bludszuweit-Philipp, Sören Stückrad, Daniel Cebulla / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Dank Simulation kann die Wirkung mikrostrukturierter Oberflächen bereits früh im Designprozess medizinischer Implantate vorhergesagt und gezielt verbessert werden.

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Von der virtuellen Produktentwicklung profitieren auch medizintechnische Produkte, bei denen biologische Wechselwirkungen vorhersagbar sind, wie z.B. beim Schmierverhalten der Gelenkflüssigkeit in Hüftendoprothesen.
Von der virtuellen Produktentwicklung profitieren auch medizintechnische Produkte, bei denen biologische Wechselwirkungen vorhersagbar sind, wie z.B. beim Schmierverhalten der Gelenkflüssigkeit in Hüftendoprothesen.
(Bild: ASD)

Medizintechnische Produkte im allgemeinen und Implantate im speziellen unterliegen höchsten Anforderungen an Präzision, Qualität sowie Reproduzierbarkeit und müssen gleichzeitig eine große Bandbreite unterschiedlicher Werkstoffe abdecken. Im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung und steigender Funktionsintegration müssen Produkt- und Bauteiloberflächen darüber hinaus spezielle Funktionen übernehmen, um medizinisch, biologisch oder technisch vorteilhafte Eigenschaften zu erzielen.

Eine Herausforderung ergibt sich auch aus der zunehmenden Beanspruchung von Implantaten infolge steigender Lebenserwartung, dem Wunsch nach Mobilität im Alter und zunehmender Fettleibigkeit. Die Lebensdauer von Implantaten wiederum wird entscheidend von dem Einheilprozeß und dem Anwachsverhalten des Gewebes, dem Vermeiden von bakterieller Besiedlung sowie dem Verschleißverhalten beeinflusst.

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Oberflächeneigenschaften bearbeiten

Der Wachstumskern „Mikrolas – Surfaces shaped by photonics“ (s. Kasten), bei dem der Einsatz ultrakurzer Laserpulse einen qualitativen Sprung in den Bearbeitungsmöglichkeiten unterschiedlichster Werkstücke und Materialien ermöglicht, adressiert diese Problemstellungen. Dabei können die Oberflächen von beispielsweise Metallen oder Keramiken, aber auch von transparenten oder thermisch sensiblen Materialien wie z.B. Kunststoffen oder Faserverbundstoffen effizient und ohne Rückstände bearbeitet werden. Ebenso lassen sich Oberflächen gezielt modifizieren, um spezielle technische oder biologische Eigenschaften zu erzielen. Im Ergebnis können Oberflächeneigenschaften wie Benetzbarkeit, Abrieb- oder Verschleißbeständigkeit sowie Diffusionseigenschaften ortsabhängig ebenso beeinflusst werden wie die Wechselwirkung der funktionalisierten Oberfläche mit Zellen für das verbesserte Einwachsverhalten eines Implantats oder dessen antimikrobielle Eigenschaften.

Über den Wachstumskern „Mikrolas – Surfaces shaped by photonics“

Der Wachstumskern (eine durch das BMBF geförderte Initiative) „Mikrolas – Surfaces shaped by photonics“ soll Technologien verschiedener Forschungsbereiche der Ultrapräzisionsbearbeitung vereinen und entwickelt sie für die indus­trielle Fertigung weiter, so dass die Partner im Wachstumskern diese Technologien für ihre Anwendungen einsetzen können.

Mit ultrakurzen Laserpulsen lassen sich Oberflächen gezielt und präzise verändern, um spezielle technische oder biologische Eigenschaften zu erreichen. Der Ultrakurzpulslaser ist ein relativ neues Verfahren, mit dem sich jedes Material in höchster Präzision bearbeiten lässt. Der Laser kann bohren, schneiden, fräsen und Oberflächen im Mikrometerbereich strukturieren. Er kann Löcher bohren, die dünner als ein menschliches Haar sind. Dazu wir der Laserstrahl über eine Linse gebündelt und auf die Oberfläche gerichtet. Das abzutragende Material wird schnell erhitzt, ohne dabei zu schmelzen, sodass es verdampft. Auf diese Weise bearbeitet der Laser in kürzester Zeit kleinste Bereiche.

Gezielte Optimierung dank Simulation

Allerdings sind die genauen Wechselwirkungen von mikro- und nanostrukturierten Oberflächen mit den umgebenden Medien der Implantate im Detail kaum bekannt. Während experimentelle und analytische Verfahren zur Analyse derartiger Oberflächeninteraktionen nicht oder nur mit unverhältnismäßig hohem Kosten- und Zeitaufwand eingesetzt werden können, ermöglichen virtuelle Methoden eine systematische, sehr detaillierte und „gläserne“ Vorgehensweise. Dabei sollen die technischen und biologischen Eigenschaften der photonisch funktionalisierten Oberflächen mithilfe numerischer Simulation (in silico) vorhergesagt und optimiert werden. Abhängig von der Anwendung werden auf dieser Basis Auslegungsverfahren entwickelt, die eine gezielte Optimierung der Oberflächenstrukturierung ermöglichen.

Die ASD Advanced Simulation and Design GmbH aus Rostock ist spezialisiert auf die simulationsgestützte Produktentwicklung und hat im Rahmen des Wachstumskerns entsprechende Verfahren zur Auslegung und Optimierung von Oberflächenmodifikationen für ausgewählte medizintechnische Anwendungen entwickelt.

Virtuell zur passenden Mikrostruktur

Ein Anwendungsfall sind dabei Hüftendoprothesen. Diese haben in klinischer Praxis nach wie vor eine relativ hohe Revisionsrate, müssen also häufig vorzeitig operativ ausgewechselt werden. Gründe dafür können beispielsweise die Freisetzung von Abriebprodukten der Oberflächen und damit ein schnellerer Verschleiß infolge von Abriebpartikel im Gelenkspalt sein. Mittels numerischer Strömungssimulationen wurde für eine derartige Problemstellung die tribologische Wirkung von mikrostrukturellen Modifikationen an den Gleitflächenpaarungen der Gelenksendoprothesen untersucht.

Die Simulationen zeigten einen deutlichen Effekt der aufgebrachten deterministischen Oberflächenstrukturen im Größenbereich 5 bis 50 µm auf Keramiken, medizinischen Edelstählen oder Kunststoffen bezüglich der Gleitverhältnisse im Gelenkspalt. Insbesondere die Viskosität der nicht-newtonschen Gelenkflüssigkeit und damit deren Trag- und Schmierverhalten sowie der lokale Transport von Reibpartikeln werden dabei stark von Form und Größe der Oberflächenmodifikation beeinflusst. Durch die simulationsgestützte Auswahl geeigneter Mikrostrukturen zur Erhöhung der Schmierwirkung und Implantatstandzeit vor der Durchführung entsprechender rheologischer und tribologischer Versuche konnten Entwicklungszeit und -kosten deutlich reduziert werden.

Zusammenhänge sichtbar machen

Auch die simulationsgestützte Untersuchung der Wechselwirkung von mechanischen Oberflächenmodifikationen an Implantaten mit umgebendem Gewebe ermöglicht im frühen Designstadium eine Vorhersage und Optimierung diesbezüglicher Funktionalitäten. Knochen ist ein lebendes Material, das sich veränderten Lastbedingungen durch Änderung seiner Struktur anpassen kann. Die neuen Simulationsverfahren berücksichtigen dabei die Zusammenhänge zwischen der Topologie einer mikrostrukturierten Oberfläche und deren Auswirkungen auf das Anwachsverhalten von Zellen.

Interessant ist etwa bei Dentalimplantaten, wie mikrostrukturierte Oberflächen die Implantat-Knochen-Wechselwirkung beeinflussen. Neben dem modifizierten Anwachsverhalten von Zellen an der Implantatoberfläche kann eine Oberflächenmodifikation auch die Spannungen bzw. Dehnungen in Knochen und Implantat verändern. So ist es möglich, dass sich zusätzliche Spannungsspitzen positiv auf Knochenumbauprozesse auswirken. Dagegen sollten bestimmte mechanische Beanspruchungen nicht überschritten werden, um eine nachhaltige Schädigung des Knochengewebes zu vermeiden. Auch die Auswirkungen von mikrostrukturierten Oberflächen eines Dentalimplantats auf dessen Eindrehverhalten sowie Stabilität im Kiefer werden im Simulationsmodell analysiert. Damit kann das große Potential einer Laserstrukturierung, eine definierte, zellselektive Oberfläche mit abschnittsbezogener Gestaltung der Rauigkeiten zu generieren, zielgerichtet genutzt werden.

Simulation senkt Entwicklungskosten

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit der dargestellten Methode der virtuellen Produktentwicklung eine deutliche Reduzierung von Entwicklungszeiten und -kosten in der industriellen Umsetzung moderner Oberflächenmodifikationen erzielt werden kann. Insbesondere bei medizintechnischen Produkten sind dabei nicht nur die Möglichkeiten der Vorhersage von physikalisch-technischen Funktionsparametern sondern auch von biologischen Wechselwirkungen sehr erfolgversprechend.

* ASD Advanced Simulation and Design GmbH, Rostock

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