Aktoren mit magnetischen Formgedächtnislegierungen für energiepassive medizinische Implantate

• Antragsteller: Dr.-Ing. Holger Neubert
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 251112451

Ziel des Projektes ist es, magnetfeldgesteuerte Aktoren mit magnetischen Formgedächtnislegierungen für Anwendungen in energiepassiven medizinischen Implantaten zu entwickeln und an Demonstratoren zu untersuchen. Dazu werden drei Arbeitspakete definiert. Zunächst soll die dreidimensionale Hysterese von aktorischen Elementen aus magnetischen Formgedächtnislegierungen zwischen mechanischer Dehnung und Spannung sowie magnetischer Flussdichte mit Hilfe eines erweiterten Tellinen-Modells phänomenologisch modelliert werden. Ziel ist es, numerisch robuste und ausreichend genaue eindimensionale Modelle für die Dynamiksimulation von Antriebssystemen mit räumlich konzentrierten Netzwerkmodellen zu erarbeiten. Die Modellentwicklung konzentriert sich auf die typischen Betriebsmodi der MSM-Elemente, die Parametrierung auf die gegenwärtig verfügbaren Ni-Mn-Ga-Legierungen. Die Möglichkeit, den Modellansatz darüber hinaus für weitere Werkstoffe, Betriebsmodi und Einflussgrößen zu erweitern, wird untersucht. Die Modelle werden in der physikalischen Beschreibungssprache Modelica implementiert und an Beispielen validiert.Ein zweites Arbeitspaket hat magnetfeldgesteuerte Aktoren mit magnetischen Formgedächtnislegierungen zum Gegenstand, bei denen das aktorische Element in räumlicher Entfernung von den Polflächen der Magnetfeldquelle angeordnet ist. Dies ermöglicht energiepassive, aktorische medizinische Implantate, bei denen die Magnetfeldquellen außerhalb des Körpers und die aktorischen Elemente innerhalb platziert sind. Zyklisch arbeitende MSM-Aktoren und zugehörige Feldquellen sind zu entwickeln und im Hinblick auf die erreichbaren Leistungsparameter zu untersuchen und zu optimieren. Hierzu werden die entwickelten Hysteresemodelle in Systemmodellen angewendet.Drittens sind die entwickelten MSM-Aktoren mit zwei Demonstratoren potentieller Anwendungen zu testen. Der erste Demonstrator realisiert die Antriebsfunktion für ein miniaturisiertes, voll implantierbares Distraktionssystem zur Anwendung in der Chirurgie, der zweite die Antriebsfunktion einer implantierbaren Medikamentendosierpumpe zur Anwendung in der Schmerztherapie. Die MSM-basierten energiepassiven Aktoren sind strukturell einfach und miniaturisierbar. Damit ermöglichen sie miniaturisierte Distraktionssysteme, die im Unterschied zu bekannten implantierbaren Systemen mit Energiespeichern und elektromagnetischen oder thermischen Aktoren an wesentlich kleineren Knochen als bisher angewendet werden können und damit z.B. in der Hand-, Gesichts-, Mund-, Kiefer- oder Gesichtschirurgie. Die magnetfeldbasierte Energieeinkopplung erlaubt einfache, kontinuierlich arbeitende und steuerbare implantierte Dosierpumpen. Das Ziel ist es, mit den Demonstratoren das Anwendungspotenzial zu zeigen und Eigenschaften zu untersuchen. Die Zusammenarbeit mit Klinikern ist geplant.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen