Prof. Dr.-Ing. habil. Arnim Nethe

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Dr. Arnim Nethe

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Forschung

Studie mit Vorversuchen zur Vorbereitung eines Projektes für ein steuerbares Pumpsystem zur Unterstützung und als Totalersatz des Herzens (TIAH)

Die zunächst aus der technischen 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 Koagulationsvorgängen. Die ununterbrochene Förderung stets derselben Blutmenge im geschlossenen Kreislauf lässt alle blutschädigenden Einflüsse anwachsen, bis die tolerierbare Schwelle überschritten wird.

Die Betrachtungen über bisherige künstliche Herzen bzw. Herzunterstützungssysteme zeigten, dass diese Systeme so viele technische Probleme haben, dass nur zwei von ihnen klinisch eingesetzt werden. Das eine, vom Typ "Berlin Heart", wird mit Druckluft angetrieben und außerhalb des Körpers getragen. Das zweite, vom Typ "Novacor", wird als Unterstützungssystem eingesetzt und vom Patienten in einer Bauchtasche getragen. Das konzipierte Kunstherz soll total implantiert werden, so dass der Patient eine relativ große Bewegungsfreiheit besitzt. Des weiteren erlaubt der angestrebte Aufbau, dass das künstliche Herz auch seinen Platz an der Stelle des natürlichen finden soll. Dies bedeutet, dass es eine mechanische Flexibilität besitzen muss, damit die angrenzenden Organe nicht geschädigt werden, und so der Tod des Patienten verursacht wird. Diese Flexibilität erhält man nur durch den Einsatz einer Flüssigkeit in einem beweglichen Beutel, sie kann auch unter Beibehaltung der bisherigen Konzepte nicht erbracht werden. Des weiteren ist ein höherer Wirkungsgrad, die Größe und die Masse entsprechend des natürlichen Herzens zu erwarten.

Die Verwendung einer magnetischen Flüssigkeit als Antrieb, wird hier erstmals in dieser Form angewandt. Sie vereint mehrere Vorteile: Die oben erwähnte Flexibilität, die eine individuelle Anpassung verspricht, bringt für den Patienten hohen Tragekomfort. Die geringe Anzahl von Einzelteilen reduziert die Ausfallwahrscheinlichkeit, und damit verringert sich auch das Risiko für den Patienten.

Technisch gesehen wurden Magnetofluide bislang nur als Schmierstoffe eingesetzt, wobei ihre magnetischen Eigenschaften nur zur Positionierung in Lagern und Dichtungen benutzt wurden. Der Einsatz einer magnetischen Flüssigkeit in einem veränderlichen Magnetfeld, wobei außer den magnetischen Eigenschaften auch ihre Beweglichkeit ausgenutzt wird, bietet weitreichend neue Einsatzmöglichkeiten. Hier wäre allerdings eine andere Entwicklungsrichtung in diesem Bereich von Nöten, der speziell auf die neu zu definierenden Anforderungen ausgerichtet sein müsste. Das Entwicklungspotential für magnetische Flüssigkeiten für Pumpanwendungen zeigt sich als sehr groß.

Zur Bestimmung der Größenordnung des Druckes wurden einige grundlegende Rechnungen durchgeführt. Diese Berechnungen ergaben, dass trotz eines symmetrischen Aufbaus und eines homogenen erregenden magnetischen Feldes ein Druck aufgebaut und eine Pumpwirkung erzielt werden kann. Dies ist erst durch den Einsatz einer permeablen Flüssigkeit möglich geworden, denn eine Kraftwirkung auf einen Festkörper erhält man nur in einem asymmetrischen Magnetfeld. Verknüpft man diese zwei Feststellungen, so ist zu erwarten, dass die Pumpwirkung bei einem asymmetrischen Magnetfeld noch wesentlich gesteigert werden könnte.

Speziell zeigten die durchgeführten Berechnungen, dass der Bau einer Pumpe auf Basis von Ferrofluiden im Prinzip möglich ist. Die benötigte Druckerzeugung von ca. 13kPa, ein hoher Wirkungsgrad und geringe Ausmaße sind gegenläufige Parameter, die einer Optimierung bedürfen. Als günstige Variante für die Form der Blase, in der der Druck erzeugt werden soll, hat sich eine Geometrie erwiesen, die dem quer zu den Feldlinien angeordneten Zylinder am ähnlichsten ist, also zwischen Zylinder und Kugel einzuordnen ist, was auch der natürlichen Herzform am nächsten kommt. Sie könnte die Form eines abgerundeten Zylinders oder eines langgestreckten Ellipsoids haben, d.h. man erhält dann etwa die doppelte Kraftwirkung. Der Zylinder hat gegenüber der Kugel noch zwei weitere Vorteile. Zum ersten sind das die leichte Herstellbarkeit und zum zweiten kann eine Volumenänderung ohne große Dehnung der Oberfläche vorgenommen werden, was sich positiv auf die Materialalterung auswirkt. Um die Berechnungen auch praktisch zu untermauern, wurden einige prinzipielle Versuche durchgeführt. Diese Versuche ergaben Druckwerte, die nur etwa 10% der berechneten Erwartungswerte entsprachen. Dies ist zum großen Teil auf den sehr einfach gehaltenen Versuchaufbau zurückzuführen. So ist zu erwarten, dass durch wesentlich bessere Aufbauten eine entsprechende Drucksteigerung zu erwarten wäre.

Im letzten Kapitel wurde ein Prozessmodell für das Kunstherz abgeleitet. Die ersten prinzipiellen Berechnungen zeigten, dass auch mit dieser eisenkernlosen Anordnung eine magnetische Pumpe aufgebaut werden kann, eine sogenannte Vollfluidpumpe, deren magnetischer Rückschluss auch durch das Ferrofluid realisiert wird. Hierbei wurden aber die Schwierigkeiten bei der Konstruktion des künstlichen Herzens sichtbar. Sie liegen in der Vielfalt der Möglichkeiten, aus denen das Optimum gefunden werden muss. Dies wäre im statischen Fall die Realherzgeometrie, im dynamischen muss ein Kompromiss gefunden werden, der über eine Pumpperiode als Optimum gewertet wird. So wird auch die dynamische Betrachtung die wesentliche Weiterentwicklung des Prozessmodells darstellen.

Abschließend lässt sich sagen, dass bei dem hohen Entwicklungspotential auf dem Gebiet der magnetischen Antriebe für künstliche Herzen, eine Fortführung der Forschung wünschenswert ist.

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Projektträger:MWFK Brandenburg
Projektmitarbeiter:Dipl.-Ing. Thomas Hähndel
Kooperationspartner:Deutsches Herzzentrum Berlin (DHZB)
Abgeschlossen:Dezember 1993

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