Gedächtnis, Bild: © Sergey Nivens - Fotolia.com

Erinnern sich einige Metalle an ihre ursprüngliche Form, nennt man sie auch Shape-Memory-Alloys. Diesen Effekt nützt man in der Medizin für kleinste Implantate. Bild: © Sergey Nivens - Fotolia.com

Verformt man eine Büroklammer aus Material mit Formgedächtniseffekt und legt sie in ein erwärmtes Wasserbad, nimmt sie wieder ihre ursprüngliche Form an. Solche Legierungen, die zu diesem Effekt fähig sind, bestehen beispielsweise aus Titan und Nickel. Umgangssprachlich werden sie als Nitinol bezeichnet. Ihre Eigenschaften bezeichnen Wissenschaftler als Pseudoelastizität. Dies ist quasi ein gummielastisches Materialverhalten, bei dem der Werkstoff um eine Größenordnung mehr reversibel verformbar ist als konventionelle metallische Strukturwerkstoffe. Meistens behalten Metalle ihre Kristallstruktur, bis man sie zum Schmelzpunkt erwärmt. Formgedächtnislegierungen nehmen abhängig von der Temperatur zwei unterschiedliche Strukturen ein. Je nach Temperatur kommt es zu einer Umwandlung der Kristallstrukturen.

Stent, Bild: Ruhr Universität Bochum
Bei krankheitsbedingtem Verschließen der Blutbahn wird ein flexibles Miniröhrchen im Blutkreislauf platziert. Bild: Ruhr Universität Bochum

Entdeckt wurde dieser Effekt bereits 1951, die mikrostrukturelle Grundlage für den Formgedächtniseffekt. Zwanzig Jahre später erfolgten militärische Anwendungen in den USA. Nach ersten medizinischen Anwendungen in den 80er- Jahren des vergangenen Jahrhunderts gelang der Durchbruch in den 90er-Jahren. Von herausragender Bedeutung sind sie im Bereich der Medizintechnik. Gefäße unseres Organismus‘ verändern sich mit zunehmendem Lebensalter. Sie können sich krankheitsbedingt verschließen, sodass kein Blut mehr hindurchströmt. Im schlimmsten Fall droht ein Schlaganfall oder Herzinfarkt. Dann wird häufig mit einem Kathetersystem ein flexibles Miniröhrchen im Blutkreislauf platziert, und die Durchströmung des betroffenen Blutgefäßes ist wieder möglich.

Eingeführt werden diese Implantate in einer gefäßgängigen Form, um sich in der Blutbahn durch das Zurückziehen des Schlauchs schließlich zu entfalten. Dann unterliegen diese Implantate hohen Beanspruchungen. Durch die Gefäßbahnen pumpt unser Herz Blut in rhythmisch dynamischen Belastungen. Die Blutgefäße ziehen sich zusammen, und das Implantat folgt der Bewegung. In einem Zeitraum von zehn Jahren schlägt das Herz bis zu 400 Millionen Mal.

Bei den Implantaten im Bereich der Medizintechnik können ganz erhebliche Wertschöpfungen erzeugt werden. Ein Kilogramm Nitinol (NiTi) für medizintechnische Anwendungen kostet etwa 150 Euro. Zu medizinischen Produkten verarbeitet, steigt der Preis auf Werte im siebenstelligen Eurobereich. Dazwischen liegen aufwendige medizinische Entwicklungsarbeiten, Test- und Genehmigungsverfahren bei den Werkstoffen.

Eigenschaften je nach Mischverhältnis

Herstellungsverfahren, Bild: Ruhr Universität Bochum
Ein alternatives Herstellungsverfahren zu Lasertechniken ist das Flechten. Diese Techniken wurden am ITA der RWTH Aachen entwickelt. Bild: Ruhr Universität Bochum

Der Wertschöpfungsprozess beginnt bei der metallurgischen Herstellung des Vollmaterials in Form einer Legierung. Diese Aufgabe übernehmen Unternehmen wie ATI Wa Chang mit Standorten auf der ganzen Welt sowie Saes Memry Corporation in den USA und Furukawa Techno Material. Gerade mit dem Verhältnis von Nickel zu Titan lassen sich die Eigenschaften der Legierungen einstellen.

In der Wertschöpfungskette folgen dann die Halbzeughersteller. Das sind Unternehmen, die Produkte wie Bleche und Stangen sowie Rohre und Draht anbieten. So beispielsweise Unternehmen wie Euroflex. Das Unternehmen wurde 1993 gegründet und beschäftigt sich mit der Herstellung von Nitinollegierungen für die Medizintechnik. Es versucht, die für medizinische Anwendungen wichtigen Eigenschaften wie Superelastizität, Verformungseigenschaften, Korrosions-beständigkeit und Biokompatibilität zu verbessern.

Schmelzprozess, Bild: Ruhr Universtität Bochum
In einem metallurgischen Schmelzprozess werden die Legierungen hergestellt. Der erste Schritt im Wertschöpfungsprozess. Bild: Ruhr Universtität Bochum

Auch zielt man darauf, das Ermüdungsverhalten zu verbessern. Im Anschluss fertigen Komponentenhersteller ihre Produkte. Nur wenige Hersteller führen die gesamte Prozesskette durch. Der Trend geht dahin, dass die Halbzeughersteller zunehmend selbst in die Legierungsentwicklung und -herstellung einsteigen. Wegen des relativ geringen Gewinns in diesem Bereich kommt von den reinen Materialherstellern nicht viel Innovation. Weltweit werden in dem Bereich etwa 150 Patente jährlich erteilt.

Die Größe des Marktes für Formgedächtnislegierungen im Bereich Medizintechnik ist schwer abzuschätzen. Hier gibt es Unterschiede zwischen NiTi-Materialvolumen sowie dem Verkaufspotenzial und der Wertschöpfung, jedoch gibt es noch keine genauen Markterhebungen. Auch gibt es große regionale Unterschiede. Dabei wurde dieser Bereich von der letzten Wirtschaftskrise schwer getroffen.

Jedoch ist eine langsame Erholung festzustellen, und neue Märkte werden erschlossen, meint Dr. Matthias Frotscher, Manager bei Cortonik in Rostock-Warnemünde. Cortonik ist das Kompetenzzentrum für die Entwicklung und Produktion von Stents innerhalb der Biotronik-Gruppe. Sie ist einer der führenden Medizintechnik-Hersteller mit Sitz in Berlin. Nach eigenen Aussagen haben mehrere Millionen Patienten Implantate von Biotronik.

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