Clevere Kunststoffe in der Medizintechnik

Das Stück Kunststoff erinnert an eine zwei Finger lange, platte, lauwarme, labbrige Glasnudel. Andreas Lendlein wickelt sie in Spiralen um einen kalten Metallstab, das glasige Aussehen des Kunststoffs verändert sich zu einem milchigen Weiß. Einige Sekunden später ist aus der labbrigen „Nudel“ eine stabile Kunststoff-Spirale geworden, fest gewickelt um den Metallstab.
Lendlein zieht die Spirale von dem Stab und wirft sie in eine Schale mit heißem Wasser. Augenblicklich beginnt die Plastikspirale, sich wie von Geisterhand im Wasser abzuwickeln und ist nach gut einer halben Minute wieder zu der fast transparenten „Glasnudel“ geworden.
Was aussieht wie ein Taschenspielertrick, ist die Technologie für einen der vielversprechendsten neuen Märkte in der Kunststofftechnik: Kunststoffe mit einem Formgedächtnis, auch „Shape Memory Polymere“ genannt.
Und Andreas Lendlein, seit Mitte 2002 Leiter des Instituts für Chemie des GKSS-Forschungszentrums in Teltow und Professor für Materialien in den Lebenswissenschaften an der Uni Potsdam, ist in Deutschland ihr herausragender Protagonist.
„Kunststoffe mit Formgedächtnis haben das Potenzial, sich zu einem Milliardenmarkt zu entwickeln“, gibt sich Lendlein zuversichtlich. Schon 1998 hat er mit einem amerikanischen Partner das Unternehmen mnemoscience in Aachen gegründet, das diese Formgedächtnis-Kunststoffe zu marktgängigen Produkten weiterentwickelt.
Bekannt sind heute vor allem Memory-Metalllegierungen, z. B. Drähte, die in ein Glas Wasser getaucht, zum Knäuel werden und sich dann wieder strecken. Lendlein hatte sich schon in seiner Promotion mit Polymeren beschäftigt, die vom menschlichen Körper resorbiert werden können. „Später entstand daraus die Idee, beide Eigenschaften, das Formgedächtnis und die Abbaubarkeit des Materials im Körper, miteinander zu verbinden.“
Zudem sind Kunststoffe Metallen weit überlegen, wenn es um das Formgedächtnis geht. So sind die heute verwendeten Memory-Metalllegierungen sehr anspruchsvoll in Herstellung und Verarbeitung. Sie mit einem Formgedächtnis zu versehen – sie zu „programmieren“ – kostet viel Zeit und ihre Hitzebehandlung ist sehr aufwändig.
Polymere lassen sich dagegen wesentlich einfacher auf bestimmte Anwendungen hin maßschneidern, die Programmierung ist einfacher und bei der Formgebung gibt es kaum eine Grenze. Und zudem, so Lendlein, kann bei Polymeren der Unterschied zwischen der permanenten und der temporären Form bis zu 1000 % betragen, während er bei den bekannten Memory-Metallen kaum über 8 % hinaus kommt. Und schließlich sind Metalle im Gegensatz zu vielen Polymeren im menschlichen Körper nicht abbaubar.
Wie aber gelingt es, Kunststoffe dazu zu bringen, ihre Form zu ändern? Zunächst, so Lendlein, „muss man wissen, welche Polymerarchitektur man für eine bestimmte Anwendung nutzen kann.“
Dafür werden Polymere durch gezielte Veränderung ihrer molekularen Struktur auf bestimmte Anwendungen hin maßgeschneidert. Das zweite Element des Prozesses ist dann die Programmierung, mit der der Kunststoff in seine zweite, temporäre Form gebracht wird.
Hat man das Polymer für ein bestimmtes Einsatzgebiet hergestellt, wird der Kunststoff klassisch verarbeitet. Einmal aufgeschmolzen und abgekühlt, erhält der Kunststoff so seine erste, permanente Form.
Dann wird er erneut erhitzt, und zwar über seine so genannte Schalttemperatur hinaus. Diese Schalttemperatur ergibt sich aus den spezifischen Eigenschaften des Materials und basiert auf einem Phasenübergang der Polymerketten, der deutlich unterhalb der ursprünglichen Verarbeitungstemperatur liegt. Dabei wird der Kunststoff zum zweiten Mal verformt, wieder unter die Schalttemperatur abgekühlt und so „programmiert“, also in seiner zweiten, temporären Form fixiert.
In dieser Form kann das Polymer-Produkt dann an seinen Einsatzort gebracht werden, z. B. in den menschlichen Körper. Dann erhält es einen spezifischen thermischen Stimulus. Das kann die Körpertemperatur selbst sein, oder eine warme Flüssigkeit, die über eine Sonde zu dem Polymer gebracht wird. Durch diesen Stimulus nimmt das Polymer im menschlichen Körper wieder seine erste, permanente Form an.
Die Möglichkeiten dieser Formgedächtniskunststoffe sind enorm: So ist denkbar, diese Polymere als selbstentfaltende Stütze in Blutgefäßen (stents) zu verwenden, als intelligentes chirurgisches Nahtmaterial oder als Wirkstoffdepot.
Noch sind solche Produkte Zukunftsmusik, aber Lendlein testet Prototypen bereits in Tierversuchen. Von der ersten Idee über klinische Tests bis hin zur endgültigen Zulassung braucht ein solches Produkt jedoch zwischen sieben und zehn Jahre.
Dennoch ist sich Lendlein sicher, dass die Chancen dieser Technik noch lange nicht ausgereizt sind. „Gerade in der minimalinvasiven Medizin haben solche Produkte eine große Zukunft.“ Denn um diese Formgedächtnis-Kunststoffe in den Körper zu bringen, sind nur kleine operative Eingriffe notwendig. „Das entlastet nicht nur den Patienten, sondern das gesamte Gesundheitssystem.“
Deshalb konzentriert sich Lendlein mit seinem Team am GKSS-Forschungszentrum derzeit vor allem auf den Einsatz von Formgedächtnis-Polymeren in der Medizin. So kommt es beispielsweise beim Vernähen von Operationsnarben darauf an, dass die Naht das genähte Gewebe mit einem von Gewebe zu Gewebe unterschiedlichen Anpressdruck verbindet. Ist er zu groß, entwickeln sich Nekrosen, ist er zu klein, kommt es verstärkt zur Bildung von Narbengewebe. Lendlein hat zusammen mit Medizinern bereits einen Kunststofffaden getestet, der sich auf einen bestimmte Wärmestimulus hin mit einer definierten Kraft zu einem Knoten zusammenzieht.
Ein anderes Arbeitsgebiet sind schaltbare oder selbstheilende Oberflächen: Eine verschmutze Oberfläche ändert z. B. auf einen Stimulus hin ihre Struktur, um sich selbst zu reinigen.
Denkbar wäre auch ein Formgedächtnis-Polymer, das das auf ihm gezüchtete Zellmaterial durch Formveränderung mechanisch stimulieren kann. Oder aber, dass ein in den menschlichen Körper eingebrachtes Material nicht nur seine Form ändert, sondern auf einen bestimmten Stimulus hin auch Wirkstoffe, Medikamente, an den Körper abgibt.
„Die Möglichkeiten solcher multifunktionalisierten Polymere“, so Lendlein, „kann man heute kaum endgültig abschätzen.“ Das Spektrum reicht vom Automobilbau bis zur Mikrosystemtechnik.
Bis aber Produkte mit Formgedächtnis-Polymeren massenhaft auf den Markt kommen, wird es noch dauern. Da ist zum einen die Hürde, wie der Stimulus ausgelöst werden soll, der die Formänderung bewirkt. Derzeit ist es ein thermischer, etwa die Körpertemperatur bei Implantaten.
Liegt aber die Temperatur, die für den Stimulus notwendig ist, deutlich über der Körpertemperatur, wird es bei Implantaten schon schwieriger. Deshalb sucht Lendlein nach Alternativen zum thermischen Stimulus für die Formgedächtnisänderung. Vielversprechend sind hier elektromagnetische Stimuli oder Licht.
Und noch handelt es sich bei den derzeit genutzten Materialien um solche mit einem Einwege-Formgedächtniseffekt. Interessant aber wäre es deshalb, mehrere Formveränderungen desselben Polymers durch unterschiedliche Stimuli zu erzeugen.
„Doch da“, so Lendlein, „sind wir noch ganz am Anfang.“W. MOCK