Studierendenprojekte

Moderne axiale Blutpumpen kommen als Herzunterstützungssystem immer häufiger zum Einsatz. Die Pumpen zeichnen sich durch eine kleine Bauweise bei hoher Flussrate aus.

In dem von der Senatskommission für Studium und Lehre (K1) geförderten Projekt werden die Studierenden eine solche axiale Blutpumpe in offener Bauweise als Demonstrations- und Studienmodell aufbauen.

Interessant ist der interdisziplinäre Ansatz des Projektes, da maschinenbautechnische, elektrotechnische und physiologische Fragestellungen bearbeitet werden müssen. 

Im Rahmen des Studierendenprojektes konnte nun ein funktionsfähiges axiales Blutpumpenmodell erfolgreich entwickelt werden. Die Pumpe wird durch einen selbstkonstruierten bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC) angetrieben. Die sechs Wicklungen (A+/A-/B+/B-/C+/C-) am Stator des Motors wurden per Hand gewickelt. Die Rotorflügel wurden im 3D-Druck hergestellt und sind mit Dauermagneten ausgestattet. Eine Übertragung von elektrischer Energie auf den Rotor im inneren des Motors ist bei dieser Konfiguration nicht erforderlich. Der Motor wird durch eine elektronische 3-Phasen-Kommutierung angesteuert worüber auch die Drehzahlregelung realisiert wird. Der hierzu eingesetzte Motorregler benötigt zur Rotorpositionserkennung drei Hallsensoren (HA/HB/HC) die im Abstand von jeweils 120° am Stator positioniert sind. Die axiale Blutpumpe ist auf der rechten Seite mit einer Magnetlagerung ausgestattet.

Technische Details:

• Bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC)
• Stator manuell gewickelt, ca. 300 Windungen/Statorspule
• Motorsteuerung mit 3-Phasen Hochleistungstreibern 
• Sensorgesteuerte Kommutierung 
• Hallsensoren zur Erkennung der Rotorposition
• Rotor bestehend aus Impeller/Inducer, Diffuser, Straightener 
• jeweils mit 3D Drucker erstellt
• Einseitig mit magnetischer Lagerung ausgestattet

Vorteile der axialen Blutpumpe:

• Kleine, leichte Bauweise bei hohem Durchfluss
• Geringe Blutschädigung durch spezielles Rotordesign
• Magnetische Lagerung mit geringer Reibung und Wärmeentwicklung, dadurch verschleißfrei und blutschonend
• geringe Geräuschentwicklung

Betreuender Professor
Prof. Dr.-Ing. Mehdi Behbahani
Raum 01E12
T.: 0241-6009-53727
behbahani(at)fh-aachen.de

Ansprechpartner

Betreuender Ingenieur
Dipl.-Ing. Karl-Heinz Gatzweiler
Raum 01E09
Heinrich-Mußmann-Str. 1
52428 Jülich | Germany
T.: 0241 6009 53722
gatzweiler(at)fh-aachen.de

Studentische Projektleiter
Simon Habicht
Chloe Radermacher
B. Bukhtawer

Stellv. studentische Projektleiter
Smit Nandu
Yashothan Sivarajah
Jan Faheem

Studentische Mitarbeiter
Yuyang Mao
Tobias Küster
Naeem Assasa
Arefan, Aishan
Abdallah El Noaymi

Mehr Infos
> Youtube
> Biomaterial Labor

Das Verfahren der Rotationsatherektomie bietet eine schnelle und effiziente Behandlungsmethode hinsichtlich Stenosen des Gefäßsystems.

Die Atherektomie ist ein minimal-invasiver Eingriff, bei welchem Koronargefäß- und periphere arterielle Verschlüsse unter geringem chirurgischem Aufwand mechanisch behandelt werden. Dies umfasst das Entfernen von Plaque- und Kalkablagerungen, welche im Rahmen von Gefäßerkrankungen auftreten können. „Mechanisch behandeln“ definiert in diesem Fall die Dilatation (Aufweitung) des Gefäßlumens, ohne die Gefäßwand durch eine Überdehnung oder Verletzung zu schädigen [01–03].

Im Vergleich zur Ballonangioplastie ist die Rotationsatherektomie ein Eingriff, bei dem die Gefäßwand weniger beansprucht wird. Hierbei wird das Verschlussmaterial „herausgefräst“ und nicht an die Gefäßwand komprimiert [04].

In dem von der Senatskommission für Studium und Lehre (K1) geförderten Projekt haben die Studierenden nun ein Demonstrationsmodell eines Jetstream Rotationsatherektomie-Systems entwickelt.

Interessant war der interdisziplinäre Ansatz des Projektes, da maschinenbautechnische, elektrotechnische und physiologische Fragestellungen bearbeitet werden mussten.

Bei dem Demonstrationsmodel liegt der Schwerpunkt auf die Visualisierung der Behandlungsmethode, wobei die Studierenden den Aufbau und die Funktionen des Kathetersystems kennenlernen. Einzelne Gruppen von Studierenden haben an den Aufgabenstellungen der verschiedenen Bearbeitungsbereiche gearbeitet und in Absprache miteinander ein Konzept zur Entwicklung des Modells erstellt, welches anschließend die Grundlage zur praktischen Umsetzung bildete. Bezüglich des Modells konnten Fragen zum Strömungsverhalten innerhalb des Gefäßsystems hinsichtlich Stenosen und die Notwendigkeit der Biokompatibilität solcher Medizinprodukte diskutiert werden.
Das Demonstrationsmodell dient dem Zweck der Vorführung in Lehrveranstaltungen und Praktika. Außerdem kann das System zukünftig im Rahmen von studentischen Abschlussarbeiten und Miniprojekten fortgeführt werden.

Im Rahmen des Studierendenprojektes konnte ein funktionsfähiges Demonstrationsmodell eines Rotationsatherektomie-Systems entwickelt werden. Einer der Schwerpunkte lag auf der Visualisierung der Behandlungsmethode, hierzu wurde ein geeigneter Maßstab des Modells von 20:1 gewählt. Der Aufbau und die Funktionen des Kathetersystems können so genau analysiert werden. Die Zusammenarbeit der Studierenden untereinander wurde durch das Projekt gefördert, das zeigte sich abschließend auch beim Zusammenbau der verschiedenen Komponenten des Modells, die optimal aufeinander abgestimmt sind. Bezüglich des Ersatzmaterials für die Stenose besteht allerdings noch Optimierungsbedarf.

Das Demonstrationsmodell soll schon im nächsten Semester bei den Lehrveranstaltungen zum Einsatz kommen. An einer Versuchsanleitung für die Anwendung des Modells im Praktikum wird noch gearbeitet. Beabsichtig sind auch Strömungsuntersuchungen mit Hilfe des im Labor vorhanden PIV-Systems (Particle Image Velocimetry), um das Spülsystem, d.h. den Abfluss der gelösten Partikel, zu verbessern.

Quellennachweise:

[1] (2016) Perkutane mechanische Atherektomie zur Behandlung der peripheren arteriellen Verschlusskrankheit. www.springermedizin.de/perkutane- mechanische-atherektomie-zur-behandlung-der- peripheren/8070018?fulltextView=true. Accessed 09 Feb 2020
[2] (2020) Atherektomie: Ein Putztrupp für die Arterien. www.kardionet.de/atherektomie/. Accessed 10 Feb 2020
[3] DocCheck Medical Services GmbH (2020) Dilatation - DocCheck Flexikon. flexikon.doccheck.com/de/Dilatation. Accessed 10 Feb 2020
[4] Vortrag Rotablator (2019) Boston Scientific

Betreuender Professor
Prof. Dr.-Ing. Mehdi Behbahani
Raum 01E12
T.: 0241-6009-53727
behbahani(at)fh-aachen.de

Ansprechpartner

Betreuender Ingenieur
Dipl.-Ing. Karl-Heinz Gatzweiler
Raum 01E09
Heinrich-Mußmann-Str. 1
52428 Jülich | Germany
T.: 0241 6009 53722
gatzweiler(at)fh-aachen.de

Studentische Projektleiter
Melissa Rasiah
Marcel Spiertz

Stellv. studentische Projektleiter
Patrick Hannak

Studentische Mitarbeiter
Smit Nandu
Insaf Issoul
Albakir Hala
Tesh Hamzeh

Mehr Infos
> Youtube
> Biomaterial Labor

Derzeit angewandte Haftungssysteme im medizinischen Bereich (z.B. Pflaster), weisen meistens entweder zu starke oder zu schwache Klebeeigenschaften auf. Außerdem sind diese nach der ersten Anwendung nicht wiederverwendbar. Die Bionik, d.h. die Übernahme von technischen Lösung nach dem Vorbild in der Natur, ermöglicht es an neuen Haftungssystemen, die durch strukturelle und physikalische Effekte optimiert sind, zu forschen. Diese Materialien weisen folgende Besonderheiten auf: Sie sind wiederverwendbar, selbstreinigend und haften nicht an sich selbst.

Heutzutage werden von einigen Firmen (z.B. Firma Bender) sogenannte Gecko-Tapes hergestellt, bei denen auf eine Polymeroberfläche mittels Nanotechnologie winzige Härchen aufgebracht werden. Diese erzeugen durch Van-der-Waals-Kräfte Bindungen zu anderen Oberflächen. Man spricht in diesem Zusammenhang von trockener Adhäsion. Die Anwendung solcher Materialien ist in der biomedizinischen Technik zum Beispiel für die Gewebeklebung möglich.

Durch dieses bionisch inspirierte Projekt sollen die natürliche Bewegung und Anhaftung des Geckos in die Technik umgesetzt werden. Ziel ist es, die Füße mit gesteuerten einzelnen Zehen zu bestücken, sodass die Haftung an einer angewinkelten trockenen Fläche möglich ist und die Ablösung ebenfalls ermöglicht wird. Zu beachten ist dafür, dass das Gewicht des Geckos gering gehalten wird und die Dimensionierung der Fläche der Zehen bzw. der Kontaktfläche optimiert wird. Da es sich bei dem Haftungssystem um eine Innovation in der Medizintechnik handelt, ist die Entwicklung eines Gecko-Roboters umso interessanter. Der Gecko-Roboter kann dann sowohl bei Vorlesungen als auch bei Praktika vorgestellt werden und als Basis für weitere Aufgabenstellungen (z.B. Charakterisierung von Van-der-Waals-Kräften) dienen.

Der Grundaufbau des Gecko-Roboters (1. Prototyp des Studierendenprojektes) basiert auf dem „Bioinspired Wall Climbing Robot“ von VeluxHelp auf der Internetseite „Instructables“ (dort noch ohne elektronische Steuerung). Der Bewegungsablauf wird nun durch insgesamt acht Servomotoren realisiert. Ziel ist es, dass der Gecko mit einem speziellen Haft-Klebeband an den Füßen, dem Produkt Gecko® Nanoplast® der Firma Gottlieb Binder, glatte steile Flächen hochklettern kann. Das Haft-Klebeband wird aus medizinischem Silikon hergestellt und basiert auf dem Prinzip der Van-der-Waals-Kräfte. Das Gecko® Nanoplast® besitzt auf 1cm² 29.000 Haftelemente und weist eine hohe Haftkraft auf allen glatten sowie feuchten und rutschigen Oberflächen auf. www.binder.de/de/produkte/gecko-nanoplast/

Erste Versuche mit dem Gecko-Roboter zeigten, dass die Haftkraft des Gecko-Tapes an den Füßen so groß ist, wodurch der Gecko die Füße kaum noch gelöst bekommt. Die Idee lag nun darin, mit Hilfe zusätzlicher Servos und einer ausgeklügelten Mechanik, ein Abrollen der Füße zu ermöglichen. Dazu wurde ein spezielles flexibles Filament zur Erstellung der Füße im 3D-Druck verwendet, um durch Zugseile an den Füßen ein Abrollen bzw. Abziehen, beginnend an den Fußspitzen, zu ermöglichen. Im Video (2. Prototyp des Gecko-Roboters) wird der Bewegungsvorgang demonstriert.

Zwischenzeitlich wurde nun ein 3. Prototyp des Gecko-Roboters entwickelt, bei dem der Fuß als eine Art Schlauchhülle ausgeführt ist. Der Fuß ist stark vereinfacht und auf Funktionalität in Verbindung mit dem Gecko-Tape ausgerichtet. Der Fokus liegt auf dem Anheften des Fußes mit ausreichender Haftkraft am Untergrund, sowie auf ein sicheres Lösen des Fußes vom Untergrund. Diese Konstruktion befindet sich in der Testphase. Es zeigt sich hierbei, dass eine optimierte Lösung nicht immer komplizierter sein muss.

Bildnachweis (slides):

[1] Gecko https://www.spektrum.de/news/geckos-haften-anders-als-alle-dachten/1300069 (11/2021)
[2] Vergrößerte Setae und Spatulae eines Geckos Favret, Eduardo A.; Fuentes, Néstor O.: Functional Properties of Bio- inspired Surfaces: Characterization and Technological Applications. Singapur: World Scientific, ISBN 978-981-283-701-1  S. 105 (2009)

Das Verfahren des Anodisierens, welches in der Medizintechnik häufig angewandt wird, ermöglicht das metallische Material zu oxidieren und somit das Anbinden einer Aluminiumoxidschicht (Keramik). Das Verfahren soll zu einem Praktikumsversuch gestaltet werden, bei dem die Studierendenden die Korrelation zwischen verschiedenen Parametern und der Qualität der Beschichtung erfahren. Hierbei soll die Werkstoffkunde sowohl auf chemischer, mechanischer als auch elektrotechnischer Basis gefördert werden.

Die Langzeitverwendung der verschiedenen medizinischen Implantate erfordert von den zukünftigen Ingenieuren der Medizintechnik, ihre Kenntnisse der verschiedenen Herstellungs- bzw. Beschichtungsmethoden zu erweitern. Vor allem können keramische Beschichtungen die Biokompatibilität von Metallimplantaten erheblich verbessern.

Das Verfahren des Anodisierens ist stark temperaturabhängig. Es besteht die Notwendigkeit, das System erstmals zu erwärmen, ohne eine bestimmte Temperatur zu überschreiten und anschließend das System zu kühlen. Dazu wird ein automatisiertes Kühlgerät aufgebaut. Dieses Gerät ermöglicht die Rahmenbedingungen festzulegen und diese für verschiedene Versuche konstant zu halten.

Nach dem Aufbau des Kühlgerätes wird beschichtet. Dazu wird ein Gerät konstruiert, welches an einem Stromkreis angebunden wird, bei dem das zu beschichtende Material die Anode ist. Die glatte Aluminiumoberfläche, also die Anode, wird durch Oxidation mit Aluminiumoxid-Partikeln angereichert. Die Beschichtungsqualität hängt von verschiedenen Parametern ab. Dazu zählen die Aluminiumoxid-Konzentration des Elektrolyten, die Temperatur und die Stromstärken, deren Einfluss untersucht wird.

Die anschließende Charakterisierung dieser Beschichtung erfolgt durch zwei Verfahren. Zum einen erfolgt diese mit der Unterstützung durch externe Institute, die Darstellungsmethoden per Rasterelektronenmikroskopie (REM) sowie Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) ermöglichen. Erstere Darstellung ermöglicht die Visualisierung des Gefüges in bis zu 150.000- facher Vergrößerung, zweitere ermöglicht die detaillierte Elementanalyse. Außerdem kann institutsintern die Widerstandsmessung erfolgen. Dabei ist der gemessene Widerstand abhängig von der Beschichtungsdicke.

Aus den Erkenntnissen dieser Analysen kann ein Praktikumsversuch aufgebaut werden, bei dem die Methode des Anodisierens den Studierenden näher gebracht wird.