Aus der Branche

Laut Weltgesundheitsorganisation (WHO) gehören Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu den häufigsten natürlichen Todesursachen. Weltweit sterben daran jährlich etwa 17 Millionen Menschen. Mit dem Peter Dornier-Stiftungspreis 2022 wurde nun am 21. Juli 2022 eine Forschungsarbeit von Herrn Dipl.-Ing. Mathis Bruns vom Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden ausgezeichnet, die die medizinische Versorgung von Menschen mit unzureichender Herzklappenfunktion künftig verbessern und das Leben der Patienten verlängern soll.

Das menschliche Herz ist eine Hochleistungsmaschine: Über die Lebenszeit eines Menschen hinweg schlägt es fast drei Milliarden Mal, pumpt dabei rund 200 Millionen Liter Blut durch den Körper. Enorme Belastungen, die mitunter zu lebensgefährlichen Verschleißerscheinungen führen können. Gerät eine Herzklappe aus dem Tritt, erhalten Patienten in der Regel künstlich-mechanische oder biologische Klappen als Ersatz. Mechanische Lösungen sind jedoch mit einer lebenslangen Einnahme blutverdünnender Medikamente verbunden. Außerdem kann es zu hörbaren Schließgeräuschen kommen; so klagt fast ein Viertel der Patienten mit mechanischer Herzklappe über Schlafstörungen. Biologische Herzklappen wiederum, etwa aus tierischem Gewebe, haben einen hohen manuellen Herstellungsaufwand und eine kürzere Lebensdauer.
 
Potenzial des Webens für Medizinprodukte aufgezeigt
Deshalb forscht Diplomingenieur Mathis Bruns am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden an einer Implantat-Alternative aus Gewebe. Im Rahmen eines Forschungsprojekts, an dem auch Herzchirurgen aus dem Herzzentrum Dresden sowie der Uniklinik Würzburg beteiligt waren, lieferte Herr Bruns mit seiner Diplomarbeit wichtige Erkenntnisse für das Weben einer künstlichen Herzklappe. Für seine Arbeit mit dem Titel „Entwicklung von Schlauchstrukturen mit integrierter Ventilfunktion“ hat Mathis Bruns nun den mit 5.000 Euro dotierten Peter Dornier-Stiftungspreis 2022 erhalten. Dr. Adnan Wahhoud, ehemaliger Leiter der Entwicklungsabteilung Luftwebmaschine bei der Lindauer DORNIER, sagte bei seiner Laudatio: „Der Preisträger demonstriert mit seiner Arbeit sehr anschaulich, welches Potenzial in der Webtechnik steckt, um Gewebe komplexer Form, Geometrie und Gestalt herzustellen mit dem Ziel, das Leben von Menschen zu verlängern und zu verbessern.“ Die ausgezeichnete Diplomarbeit, sei eine Bereicherung der Forschung an dreidimensionalen Geweben zum Einsatz in der Medizin.

Ersatzherzklappen ohne Naht weben
„Ein besonderer Vorteil unseres Ansatzes liegt in der integralen Herstellungsweise“, sagt Stiftungspreisträger Mathis Bruns. Die Geometrie und Funktion einer Herzklappe sei derart komplex, dass sich gewebte Herzklappen bislang nicht in dieser Form herstellen ließen. Durch den kombinierten Einsatz einer Spulenschützen-Bandwebmaschine und einer Jacquard-Maschine sei es jedoch gelungen, die Ersatzherzklappe so zu weben, dass sie nicht mehr zusammengenäht werden müsse. Selbst die Schlauchstrukturen für die Blutgefäße und die integrierte Ventilfunktion seien „aus einem Guss“. „Nähte sind immer eine Schwachstelle in textilen Medizinprodukten“, sagt Bruns. Ein weiterer Vorteil der gewebten Herzklappe: Sie soll sich auch mit Hilfe einer minimal-invasiven Operation einsetzen lassen. Demnach soll die eingefaltete Klappe, die etwa so groß ist wie ein Teelicht, mit einem Katheter über die Blutbahn an die Zielstelle im Herzen geschoben und dort entfaltet werden. Brustkorb und Herz der Patienten müssten dann nicht mehr aufgeschnitten werden, erklärt Preisträger Bruns.
 
Textile Struktur ähnelt menschlichem Gewebe
Seit jeher entstehen verschiedenste Medizinprodukte auf den Webmaschinen der Lindauer DORNIER. Kunden fertigen auf ihnen unter anderem Gewebe für Bandagen, Prothesen, Blutfilter und Orthesen. Dass auf den Maschinen aus Lindau in Zukunft vermehrt auch Implantate wie Herzklappen gewebt werden, ist für Mathis Bruns nur naheliegend. „Textiles Gewebe ist dem menschlichen Gewebe sehr ähnlich“, sagt er. Wie ein textiles Gewebe sich aus Tausenden Einzelfäden zusammensetze, bestehe auch der menschliche Körper zu einem großen Teil aus fadenförmigen Materialen. „Muskelfasern leiten Kraftimpulse, Nervenbahnen senden Reize wie beispielsweise Schmerzen und Gehirnzellen leiten über fadenförmige Dendriten und Axone Informationen.“ Aufgrund ihrer „Fadenförmigkeit“ seien gewebte Implantate deshalb besonders geeignet für medizinische Anwendungen.

Frau Dr.-Ing. Iris Kruppke, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden, wurde am 16. Juni 2018 zum Tag der Fakultät Maschinenwesen der TU Dresden mit dem Manfred-Hirschvogel-Preis geehrt. Der Preis ist mit 5.000 EUR dotiert und wird seit 2013 jährlich an allen TU9-Universitäten - den neun führenden technischen Universitäten in Deutschland - für die beste Promotion des zurückliegenden Jahres im Bereich Maschinenbau vergeben.

Im Rahmen ihrer Dissertation zum Thema „Entwicklung von Methoden zur Realisierung von maßgeschneiderten Adhäsionseigenschaften von faserbasierten Hochleistungswerkstoffen für Composites“ setzte sich Frau Dr. Kruppke mit der Oxifluorierung als Oberflächenbehandlungs-methode auseinander. Dieses hocheffiziente Verfahren, das zur Oberflächenfunktionalisierung eingesetzt wird, soll zukünftig insbesondere bei der Entwicklung neuer maßgeschneideter Carbonfasern zum Einsatz kommen. Frau Dr. Kruppke gelang es, das Thema der Oxifluorierung zum maßgeschneiderten Grenzschichtdesign von Carbonfasern im Rahmen der großen Forschungsinitiative „C³ - Carbon Concrete Composites“ innerhalb des BMBF-Programms „Zwanzig20 - Partnerschaft für Innovation“ mit starker Industriebeteiligung sehr erfolgreich weiter voran zu treiben.

Die Ergebnisse ihrer Dissertation, die Frau Dr. Kruppke Ende März mit der Bestnote „summa cum laude“ verteidigte, sind von enormer Bedeutung für die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen. Sie eröffnen die Möglichkeit, Hochleistungsfasern in Hochleistungsstrukturen umzuwandeln. Solche Entwicklungen erfordern eine Anpassung der vorliegenden Grenzflächen dieser Hochleistungsfasern an neue polymerbasierte, z. B. thermoplastische und anorganische Matrixsysteme. Die besonderen Publikationsleistungen lassen erwarten, dass die bisher erzielten Resultate weiterhin als fester Bestandteil in die zukünftige industrienahe Carbonfaserforschung eingehen und somit ein neues Forschungsgebiet erschließen.

Gerade im wissenschaftlichen Bereich des Maschinenbauwesens sind Frauen in leitender Position bedauerlicherweise immer noch selten zu finden. Mit der erneuten Auszeichnung beweisen die Wissenschaftlerinnen des ITM ihr enormes wissenschaftliches Know-how, welches sie am ITM dank der exzellenten Infrastruktur erlangen und deren Ergebnisse auf renommierten nationalen und internationalen Konferenzen regelmäßig offeriert werden. Bereits 2017 wurde eine weitere Wissenschaftlerin des ITM mit dem Bertha Benz-Preis für ihre herausragende Promotion zur Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Herstellung metallischer 3D-Strukturen auf Webmaschinen ausgezeichnet.

Manfred Hirschvogel Preis
Die Frank Hirschvogel Stiftung hat 2013 zum ersten Mal den Manfred Hirschvogel Preis verliehen. Der Preis wird zu Ehren des Lebenswerks von Dr. Manfred Hirschvogel vergeben.
Der Preis ist mit 5.000 EUR dotiert und wird seit 2013 jährlich an allen TU9-Universitäten - den neun führenden technischen Universitäten in Deutschland - für die beste Promotion des zurückliegenden Jahres im Bereich Maschinenbau vergeben.

Am 11. Mai 2017 wurden wieder zwei von insgesamt fünf Förder- und Kreativitätspreisen 2017 des VDMA Fachverbandes Textilmaschinen an Nachwuchswissenschaftler des Institutes für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden verliehen. Die Preise sind mit 8.000 Euro dotiert und gingen an Frau Dr.-Ing. Cornelia Sennewald für ihre Dissertation zum Thema „Generative Struktur-, Technologie- und Webmaschinenentwicklung für unikale zellulare 3D Strukturen in Leichtbauweise “ und an Herrn Philipp Kempert für seine Studienarbeit „Entwicklung eines Schützenwechselsystems für Spulenschützen-Bandwebmaschinen zur Herstellung hochkomplexer 3D-Gewebe“.

Im Rahmen der prämierten Dissertation entwickelte Frau Dr.-Ing. Cornelia Sennewald eine neue Webtechnologie für die Fertigung völlig neuer zellularer 3D Drahtstrukturen. Die besondere Leistung besteht in der Entwicklung von Lösungen für die Verarbeitung von steifen Drahtmaterialien nach einem äußerst effizienten textilen Fertigungsverfahren. Die einzigartigen Strukturen zeichnen sich bei geringem Gewicht durch exzellente Werkstoffkennwerte aus. Sie bieten eine hervorragende Basis für neue Lösungen im Metallleichtbau, für crashsichere Leichtbauteile, aber auch für Hochleistungsbeton.
Herr Kempert leistete mit seiner ausgezeichneten Studienarbeit in Zusammenarbeit mit dem deutschen Maschinenbauer MAGEBA Textilmaschinen GmbH & Co KG einen wesentlichen Beitrag zur Automatisierung von Spezial-Webmaschinen für die Verarbeitung von Hochleistungsfaserstoffen, insbesondere von Carbon-Fäden. Mit diesen Spezial-Webmaschinen können komplexe 3D-Strukturen für Faserkunststoffverbunde gefertigt werden, die bisher in aufwändigen manuellen Arbeitsschritten gefertigt werden. Die vollständige Automatisierung ist eine wesentliche Grundlage für die Überführung der Forschungsergebnisse in die Industrie, wie die Automobilindustrie, der Maschinenbau und Sportgerätehersteller.