Energiedichteoptimierter Aktuator für ein Linksherzunterstützungssystem (LVAD)
Der steigende Bedarf an Spenderorganen machte in der Vergangenheit die Suche nach Alternativlösungen zur Organtransplantation zwingend notwendig. Durch den Fortschritt in der Medizintechnik durch Mechanisierung, Materialoptimierung, Miniaturisierung und elektronischer Unterstützung konnten entsprechende Herzkreislaufunterstützungssysteme entwickelt werden. Die heutigen Systeme dienen sowohl der Unterstützung der konservativen Herzinsuffizienztherapie zur Überbrückung der Wartezeit auf ein Spenderorgan, als auch der dauerhaften Implantierung (Axialpumpen).
Die zunächst aus technischer Sicht so einfach erscheinende Aufgabe, eine Flüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe zu fördern, erhält ihren überraschenden Schwierigkeitsgrad im wesentlichen aufgrund der physiologischen Eigenschaften des Blutes und der Zirkulation im geschlossenen Kreislauf. Eine zeitlich wachsende Blutschädigung manifestiert sich sowohl in hämolytischen als auch in Koangulationsvorgängen. Während die Axialpumpen (ohne Puls) immer ausgefeilter werden, kommen die physiologischen Pulsationspumpen (mit Puls) nicht so recht voran. Dies liegt an der schwierigen Energiedichteoptimierung, d.h. möglichst minimales Volumen bei hohem Wirkungsgrad unter den Randbedingungen der Volumenverteilung und einem geringen Gewicht sowie Minimierung der bewegten Teile.
Es ist uns gelungen einen so optimierten Pulsations-Aktuator-Prototyp mit über 35% Wirkungsgrad zu entwickeln.
In „Neue Wege zum Kunstherz“ (NETHE und STAHLMANN, 1999) haben wir versucht über neue Materialien, speziell Ferrofluide, eine Möglichkeit aufzuzeigen, den Herzmuskel durch ein Magnetofluid zu ersetzen. Der Einsatz von Magnetofloiden zeigte deutlich die noch vorhandenen Reserven auf, die mit der Entwicklung eines Magnetofluids mit einer Sättigungsmagnetisierung von 400 bis 500 mT verbunden wären. Dieser Antrieb würde in Dimensionen vorstoßen, die keinen Zweifel daran aufkommen lassen, dass der Einsatz von Magnetofluiden zwingend notwendig ist für eine optimale Gestaltung eines Antriebes. Bereits mit den vorhandenen Magnetofluiden lassen sich beachtliche wenn auch nicht ausreichende – Erfolge erzielen. Leider stellte sich heraus, dass sowohl die Chemiker als auch die Physiker das Problem weit unterschätzt hatten, die erforderliche Sättigungsmagnetisierung zu erzielen.
Das mit unserer Unterstützung von der Deutschen Forschungsgemeinschaft ins Leben gerufene Schwerpunktprogramm 1104 „Kolloidale magnetische Flüssigkeiten: Grundlagen, Entwicklung und Anwendung neuartiger Ferrofluide“ zeigt reichlich Erfolge, schaffte es aber auch nicht, die angestrebte Sättigungsmagnetisierung zu erreichen.
Es wurde vom Herzmuskelersatz abgegangen und auf das Prinzip der Kraftverstärkung mittels magnetischen Flüssigkeiten gesetzt, da hierbei die Sättigungsmagnetisierung bei ca. 300 mT liegen könnte.
Nach einer Studie zur Leistungssteigerung von ferrofluidunterstützten Elektromotoren und Aktuatoren im Rahmen des obigen Schwerpunktprogramms (NETHE et al., 2001, 2003) zeigte sich aber, dass – obwohl für herkömmliche elektrische Maschinen nützlich – die geforderten Randbedingungen für ein Herzunterstützungssystem mit den vorhandenen Ferrofluiden nicht eingehalten werden konnten. Daraufhin versuchte die kooperierende Firma einen ferrofluidfreien Aktuator auf der Basis eines überlappenden Eisenkreises mit Spule zu entwickeln, welcher in raffinierter Weise den transienten Skineffekt im Sättigungsbereich des Eisens ausnutzt. Dieser Versuch scheiterte letzten Endes an mechanischen Problemen.
Da das Problem eines pulsierenden Left Ventricular Assist Device (LVAD) weiter hoch aktuell blieb, suchten wir in Kooperation mit dem Entwicklungsleiter der Firma Blum, Dr.-Ing. Eugen Nolle, jetzt Professor an der Hochschule Esslingen für elektrische Maschinen in der Fakultät Mechatronik und Elektrotechnik, nach neuen Konzepten. Hier kam uns zu gute, dass auf einem anderen Gebiet der Materialforschung große Fortschritte gemacht wurden, nämlich auf dem der Permanentmagneten.
