Faser-Kunststoff-Verbunde sind die wichtigsten und gebräuchlichsten Leichtbaustoffe. Am gängigsten sind die mit Glasfasern verstärkten Duroplaste. Im Allgemeinen zeichnen sie sich – je nach verwendeten Komponenten und Verarbeitungsverfahren – durch hohe Festigkeit und Steifigkeit aus. Die Anwendung von nachgiebigen Kunststoffen als Matrix für flexible faserverstärkte Polymere wurde allerdings bisher nur ansatzweise beleuchtet. Dies gilt zudem für weitere Untersuchungen. Der Autor versucht nun z.B. unter Einbeziehung von Experimenten und Modellen Möglichkeiten einer neuen Werkstoffkombination abzuschätzen, die eine erhöhte Dehnung und gleichzeitig eine hohe Endsteifigkeit ermöglicht.

Textprobe: Kapitel 2.2.2 Künstliche Sehnen: Aus medizinischer Sicht sind vor allem der Ersatz geschädigter Sehnen und die möglichst genaue Eigenschaftsnachbildung durch die künstliche Sehne wichtig. Natürlich stehen hier die Biokompatibilität, die Optimierbarkeit und die Haltbarkeit der Sehne im Vordergrund. Künstliche Sehnen werden schon seit Beginn des 20. Jh. beim Menschen eingesetzt, nur waren die ersten Seiden-Sehnen nur bedingt haltbar. In den 70er Jahren wurden erste Kunststoffsehnen operiert und auch Kohlenstofffasern kamen zum Einsatz. Nach Erickson [Eri02] sind vor allem hydrogelepolymer Matrices mit eingebetteten kollagenähnlichen Fasern aus PET, PBO oder PGA im Einsatz. Diese haben einen dämpfenden Effekt bei plötzlicher Muskelbelastung. Strukturell sind diese Verstärkungen gesponnen, gewebt, gestrickt oder der natürlichen Kollagenorientierung nachempfunden. Dieser Verbund besitzt eine hohe Festigkeit und Zähigkeit. Biologische Systeme werden durch Alterung und Unfälle oft geschädigt, weshalb es vielschichtige Bestrebungen gibt geschädigte Strukturen zu ersetzen. Vor allem der Gelenkersatz in den Gliedmaßen ist durch intensive Forschung weit fortgeschritten. Endoprothesen, Implantate und Inserts für Hüfte und Knie sind im chirurgischen Einsatz. nachgiebige tragende Strukturen wie Sehnen und Bänder werden seltener implantiert und der Einsatz ganzer künstlicher Sehnen wird momentan aus medizinischer Sicht kritisch betrachtet. Dabei sind Sehnen und Bänder durch ihre schlechte Regeneration und langsame Heilung prädestiniert für künstliche Hilfen. Synthetische Biomaterialien sind UHMWPE, PP, PET, PTFE, PU, Aramidfasern, Kohlenstofffasern und künstliche Kollagenfasern. Trotz vieler neuer Entwicklungen sind die Dauerfestigkeit und Biokompatibilität der eingesetzten Polyethylen- und Polyethylenterephthalatimplantate nicht befriedigend, [RHK04]. Gleiches gilt für die modellhafte Nachbildung von Gelenken in Gliedmaßenprothesen, medizinischen Prüfständen und humanoiden Robotern, da hier noch kein passender Ansatz gefunden wurde [Sch05]. Klute et al. [KCH00] beschreiben das Hauptproblem bei der Modellierung einer künstlichen Sehne als Kompromiss zwischen Gewicht (weight penalty) und Leistung (performance). Die von ihnen konstruierte künstliche Sehne soll die Eigenschaften der menschlichen Achillessehne nachbilden und in einer angetriebenen Beinprothese eingesetzt werden. Hierbei sollen wie in der Natur sowohl Kräfte übertragen als auch Energie gespeichert werden. Für die Konstruktion einer künstlichen Sehne ist es unabkömmlich, neben den mechanischen Eigenschaften die Rahmenbedingungen, vornehmlich Querschnitt und Länge zu kennen. Für die Achillessehne ermittelten sie basierend auf einer breiten Literaturrecherche eine durchschnittliche Querschnittsfläche von 65 mm² und eine Durchschnittslänge von 363,5 mm. Die experimentelle Nachbildung dieser Sehne wurde mit Hilfe zweier versetzter paralleler Spiralfedern erreicht. Hierbei wurde der Kurvenverlauf der Achillessehne durch einen einfach geknickten linearen (bi-linear) Kurvenverlauf der Federn ersetzt. Die Annäherung an die natürliche Kurve wird durch den Einsatz von weiteren Federn genauer, wobei hier die Grenzen von Masse und Platz eingehalten werden müssen. Die experimentellen Ergebnisse sind befriedigend, doch schlagen Klute et al. die Entwicklung von leichten nicht linearen Kunststofffedern vor. Diesen Schritt haben Iannace et al. wie in [ISA95] beschrieben schon 1995 getan. Hier wurde die Achillessehne von Kaninchen durch einen nachgiebigen FKV nachgebildet. Zum Einsatz kamen PET Fasern, welche getränkt mit einer Hydrogel Polymer Matrix auf dünne Schläuche gewickelt wurden. So entstanden dehnbare Schläuche mit Durchmessern von 0,85 mm und 1,5 mm, die vom prinzipiellen Aufbau her den künstlichen Muskeln von Festo [Fes06] und Koschmieder [Kos00] entsprechen. Im Falle der Sehne wird statt einem Innendruck eine Zugkraft angelegt. Bei Belastung verschränken sich die nicht in Belastungsrichtung verlaufenden Fasern gegeneinander und ergeben so eine nicht lineare analytisch berechenbare Längenänderung. Die Autoren untersuchten die Abhängigkeit der Werkstoffeigenschaften vom Wickelwinkel der Faser und der verwendeten Matrix. Dabei kam es zu einer guten Übereinstimmung von berechneten, experimentell ermittelten und natürlichen Spannungs-Dehnungs-Kurven. In weiteren Untersuchungen soll das Langzeitverhalten, welches für den in-vivo Einsatz mitbestimmend ist, betrachtet werden.

• Nachgiebigkeit

• Faserwelligkeit

• Materialeigenschaft

• Werkstoffverhalten

• Verstärkungsfaser

• Verbundwerkstoff