Funktionsintegrierte Faserverbunde: Entwicklung einer leichten, modularen Skoliose-Orthese
Das M-ERA.NET-Projekt MBrace entwickelte eine neuartige Skoliose-Orthese. Durch den gezielten Einsatz von Multi-Matrix-Faser-Kunststoff-Verbunden, mineralischen Fasern und einem patientenorientierten Design entstand ein leichtes, offenes Korsett, das Tragekomfort, Akzeptanz und damit den Therapieerfolg signifikant verbessern soll.
Millionen Jugendliche leiden unter idiopathischer Skoliose, einer dreidimensionalen Verformung der Wirbelsäule. Therapiert wird meist mit einer Rumpf-Orthese – oft eine starre, geschlossene Kunststoffschale, die bis zum Ende des Wachstums täglich bis zu 23 Stunden getragen werden muss. Das schränkt ein, ist sehr unbequem und sozial oft belastend, was die Trageakzeptanz (Compliance) der jungen Patientinnen und Patienten stark beeinträchtigt.
Patientenzentrierter Designansatz
Das europäische Forschungsprojekt MBrace adressierte diese Defizite. Ein internationales interdisziplinäres Team aus Medizin, Medizintechnik, Materialforschung und Design entwickelte eine leichte, offene und modulare Orthesenstruktur, nutzerzentriert und auch formal ansprechend. Die offene Struktur verbessert die Luftzirkulation, reduziert unnötige Kontaktzonen und erhöht die Bewegungsfreiheit, ohne die therapeutische Stützfunktion zu kompromittieren.
Die Neuentwicklung basiert auf dem Einsatz von hochgradig angepassten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV), fortschrittlichen Fertigungstechnologien und neuen Ansätzen zur bildgebenden Evaluation der Therapiewirksamkeit.
Innovative Werkstoffe und Verfahren
Lasttragende, rippenförmige FKV-Elemente wurden mit einer zentralen FKV-Rückenschiene, dem „Backbone“, verbunden. Für diese besondere Innovation wurde durch Tailored Matrix Placement (TMP) ein Multi-Matrix-FKV erzeugt. In einer durchgehend endlosfaserverstärkten Struktur kommen zwei Matrixsysteme zum Einsatz: Epoxidharz im Bereich unidirektionaler Faserorientierung für die erforderliche Steifigkeit, lokal appliziertes Polyurethan für flexible Biegezonen in Bereichen mit größeren Faserwinkeln.
Für die lasttragenden Elemente wurde eine kontur- und beanspruchungsgerechte Faserarchitektur aus Tenron® (Isomatex) mittels TFP zu textilen Preformen abgelegt und anschließend mit Epoxidharz infiltriert. Formschlüssige Verbindungselemente und Polsterungen werden additiv aus biobasiertem PLA gefertigt, was eine hohe Individualisierung bei optimierter Druckverteilung erlaubt.
Skizze MBrace-Prozess: 1. Patienten-Scannen und Datenaufbereitung, 2. Fertigung und Modularisierung, 3. Montage zu einem benutzerdefinierten Design
(© Oliwia Fila (IPF) | Paul Schlieben (HTWD))
Vom Labor zum Demonstrator
Das Projekt führte die zuvor auf teils niedrigem Technology Readiness Level (TRL) befindlichen Einzeltechnologien der Partner zusammen und erreichte mit dem Nachweis der Funktionalität TRL 4. Patientenstudien begleiteten die Entwicklung, um die Bedürfnisse der Zielgruppe direkt zu erfassen und umzusetzen.
Zudem ist das offene Design mit neuen Diagnoseverfahren kompatibel. Die offene Rückenschiene ermöglicht etwa die lichtoptische Vermessung des Rückens im Korsett und kann so die strahlenbelastenden Röntgenaufnahmen im Therapieverlauf reduzieren. Die Ergebnisse, u. a. acht wissenschaftliche Publikationen und ein Demonstrator, bilden die Basis für Folgeprojekte, um die Innovationen in die Praxis zu überführen.
Konsortiumspartner: Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. (IPF), Abt. Tailored Lightweight Design (Deutschland); Technische Universität Dresden, Institut für Biomedizintechnik (IBMT) (Deutschland); SIRRIS (Belgien); Isomatex S.A. (Belgien); Jan Kochanowski University of Kielce (Polen); HTW Dresden, Fakultät Design (Deutschland)
Kontakt:
Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. (IPF)
Prof. Dr.-Ing. Axel Spickenheuer
spickenheuer@ipfdd.de
www.ipfdd.de
