Wie können innovative Nitinol-Legierungen dazu beitragen, Medizinprodukte sicherer, zuverlässiger und leistungsfähiger zu machen? Mit dieser und weiteren Fragen beschäftigt sich MEDALLOY – ein europäisches Forschungs- und Ausbildungsnetzwerk, das führende wissenschaftliche Einrichtungen, klinische Experten und Industriepartner zusammenbringt. Auch Ingpuls ist Teil dieses Netzwerks.

Das Projekt MEDALLOY (Advanced Nickel-Titanium Alloys for Medical Device Applications) ist ein europäisches Promotionsnetzwerk im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen (MSCA) und wird durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon Europe der Europäischen Union gefördert.

Das Netzwerk vereint Partner aus sechs Ländern und verbindet wissenschaftliche Forschung, industrielle Expertise und klinische Perspektiven, um die Entwicklung Nitinol-basierter Medizintechnologien voranzutreiben. Im Mittelpunkt stehen neun Promovierende, die sich mit unterschiedlichen Herausforderungen entlang der Wertschöpfungskette medizinischer Anwendungen beschäftigen – von der Materialentwicklung und Fertigung über das Bauteilverhalten bis hin zur klinischen Anwendung.

Nitinol-Technologie durch europäische Zusammenarbeit weiterentwickeln

Nitinol hat sich zu einem wichtigen Werkstoff in der modernen Medizintechnik entwickelt. Die einzigartige Kombination aus Superelastizität, Formgedächtniseffekt und Biokompatibilität macht die Nickel-Titan-Legierung besonders interessant für Medizinprodukte wie Stents, Herzklappen und Führungsdrähte (Guidewires).

Mit zunehmender Komplexität medizinischer Anwendungen steigen jedoch auch die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Vorhersagbarkeit des Materialverhaltens.

MEDALLOY greift diese Herausforderungen in vier zentralen Forschungsbereichen auf:

Die vier Forschungsschwerpunkte von MEDALLOY

• Weiterentwicklung von Nitinol-Legierungen: Entwicklung neuer NiTi-basierter Werkstoffe mit verbesserten funktionellen Eigenschaften und erhöhter Ermüdungsbeständigkeit.
• Optimierung von Fertigungsverfahren: Weiterentwicklung konventioneller und additiver Fertigungstechnologien für Nitinol-Komponenten.
• Ermüdungsverhalten und Fehlertoleranz: Untersuchung des Einflusses von Materialfehlern auf die Bauteileigenschaften und Verbesserung der Vorhersage der Ermüdungslebensdauer.
• Numerische Modellierung: Entwicklung und Validierung von Simulationsmodellen, um das Verhalten von Nitinol unter komplexen mechanischen Belastungen präziser beschreiben zu können.

Neben den wissenschaftlichen Zielen legt MEDALLOY besonderen Wert auf die Ausbildung der nächsten Generation von Forschenden. Die neun Promovierenden sammeln Erfahrungen sowohl im akademischen als auch im industriellen Umfeld und verbinden theoretisches Wissen mit praktischen Einblicken in die Entwicklung medizinischer Anwendungen.

Ingpuls als Industriepartner im MEDALLOY-Netzwerk

Als einer von fünf Industriepartnern im MEDALLOY-Konsortium bringt Ingpuls seine umfassende Expertise in der Entwicklung, Herstellung und Verarbeitung von Nitinol-Legierungen ein.

Unsere Beteiligung unterstreicht den Anspruch, das Verständnis von Nitinol kontinuierlich weiterzuentwickeln und die Verbindung zwischen grundlegender Materialforschung und industrieller Anwendung zu stärken.

Durch die enge Zusammenarbeit mit wissenschaftlichen und klinischen Partnern bringen wir unser Wissen darüber ein, wie Legierungszusammensetzung, Herstellungsprozesse und Materialbehandlungen die mechanischen Eigenschaften und das Verhalten von Nitinol-Komponenten in ihrer späteren Anwendung beeinflussen.

Gleichzeitig eröffnet die Zusammenarbeit neue Möglichkeiten für den Wissensaustausch, die Erprobung innovativer Forschungsansätze und die Förderung junger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler.

Von der Forschung zur Anwendung: Das Promotionsprojekt von Sara Bonfanti

Eine der neun Promovierenden ist Sara Bonfanti, die vor Kurzem ihre Tätigkeit bei Ingpuls in Bochum aufgenommen hat.

Sara stammt aus Italien und hat sich bereits während ihrer Forschungstätigkeit am Politecnico di Milano mit Nitinol-basierten Medizinprodukten beschäftigt. Im Rahmen von MEDALLOY untersucht sie nun das Ermüdungsverhalten von Nitinol bei geringer Zyklenanzahl (Low-Cycle Fatigue) für medizinische Führungsdrähte.

Im Mittelpunkt ihrer Forschung steht die Frage, wie sich Nitinol unter komplexen mechanischen Belastungen verhält und wie sich dieses Verhalten zuverlässiger vorhersagen lässt. Durch die Kombination experimenteller Untersuchungen mit numerischen Simulationsmodellen möchte sie zu einem besseren Verständnis der mechanischen Eigenschaften und Leistungsfähigkeit medizinischer Führungsdrähte beitragen.

Bei Ingpuls konzentriert sich Sara auf experimentelle Untersuchungen und gewinnt vertiefte Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Legierungszusammensetzung, Materialverarbeitung und mechanischen Eigenschaften. Im weiteren Verlauf ihrer Promotion wird sie ihre Kenntnisse in der numerischen Modellierung und Finite-Elemente-Analyse an der University of Galway in Irland ausbauen.

Diese Verbindung aus industrieller Materialkompetenz und akademischer Forschung ist ein zentraler Bestandteil des MEDALLOY-Ansatzes.

Im Gespräch mit Sara Bonfanti

Was motiviert eine junge Wissenschaftlerin, das komplexe Verhalten von Nitinol zu erforschen? Wie können sich industrielle Expertise und wissenschaftliche Modellierung ergänzen? Und wie ist es, für ein europäisches Forschungsprojekt von Italien nach Bochum zu ziehen?

Wir haben mit Sara über ihren wissenschaftlichen Hintergrund, ihre Forschungsziele, die Möglichkeiten des MEDALLOY-Netzwerks und ihre ersten Erfahrungen bei Ingpuls gesprochen.

Felix Manhart: Du bist vor kurzem bei Ingpuls eingestiegen und von Italien nach Bochum gezogen. Wie waren deine ersten Tage?

Sara Bonfanti: Meine ersten Tage waren voller neuer Eindrücke und Emotionen. Natürlich gab es beim Umzug in ein neues Land viel zu organisieren und Dinge zu erledigen.

Bisher war es aber eine wirklich schöne Erfahrung. Alle bei Ingpuls sind sehr freundlich und haben versucht, mir bei allem zu helfen. Für mich ist es nicht nur ein neues Land und eine neue Umgebung, sondern auch meine erste Berufserfahrung. Es gibt also viele neue Dinge, an die ich mich erst gewöhnen muss, aber es fühlt sich gut an und ich freue mich auf die kommende Zeit.

Ich habe auch schon einige meiner neuen Kollegen kennengelernt. Jetzt muss ich mir nur noch all ihre Namen merken! 😊

Felix Manhart: Was hat ursprünglich dein Interesse an Nitinol und Formgedächtnislegierungen geweckt?

Sara Bonfanti: Ich habe während meines Bachelorstudiums in einem Kurs über Biomaterialien zum ersten Mal von Formgedächtnislegierungen erfahren. Wir haben verschiedene FGL-Anwendungen im biomedizinischen Bereich untersucht und erforscht, wie die einzigartigen Eigenschaften des Materials in medizinischen Geräten genutzt werden können.

Mein tieferes Interesse an Nitinol entwickelte sich später während meiner Forschungsarbeit am Politecnico di Milano. Dort arbeitete ich mit medizinischen Produkten auf Nitinol-Basis und führte experimentelle Tests durch, um deren mechanisches Verhalten zu charakterisieren und Materialparameter für numerische Modelle zu ermitteln.

Was mich an Nitinol fasziniert, sind seine einzigartigen Eigenschaften, also das Formgedächtnis und die Biokompatibilität. Diese Eigenschaften machen es besonders interessant für minimalinvasive und kathetergestützte Eingriffe.

Felix Manhart: Bislang hast du hauptsächlich mit fertigen medizinischen Nitinol-Produkten gearbeitet. Was reizt dich daran, dich nun näher mit dem Material selbst zu beschäftigen?

Sara Bonfanti: In meiner bisherigen Arbeit habe ich mich hauptsächlich mit Nitinol-Komponenten und medizinischen Produkten beschäftigt.

Bei Ingpuls habe ich nun die Möglichkeit, viel früher im Prozess einzusteigen und besser zu verstehen, wie Faktoren wie Materialzusammensetzung und verschiedene Verarbeitungsschritte die mechanischen Eigenschaften und die Leistungsfähigkeit des Endbauteils beeinflussen.

Das finde ich besonders spannend, da ich dadurch ein viel tieferes Verständnis für den gesamten Prozess entwickeln kann – vom Rohmaterial bis zum fertigen Produkt und dessen Anwendung.

Felix Manhart: In deiner Doktorarbeit konzentrierst du dich auf das zyklische Verhalten von Nitinol bei geringer Zyklenanzahl für Führungsdrahtanwendungen. Was genau versuchst du hier besser zu verstehen?

Sara Bonfanti: Eines der Hauptziele ist es, das Verhalten von Nitinol-Führungsdrähten unter komplexen Belastungsbedingungen besser zu verstehen und vorherzusagen.

Aktuelle Berechnungsmodelle sind nicht immer in der Lage, die komplexen multiaxialen und torsionalen Spannungszustände, denen diese Geräte ausgesetzt sind, genau zu beschreiben. Werden beispielsweise Materialparameter anhand eines herkömmlichen Zugversuchs kalibriert, kann das daraus resultierende Modell das Verhalten des Materials unter Torsionsbelastung möglicherweise nicht mit derselben Genauigkeit vorhersagen.

Wir möchten daher besser verstehen, welche Parameter oder Aspekte in bestehenden Materialmodellen möglicherweise noch fehlen. Gleichzeitig untersuchen wir, wie Materialzusammensetzung und Verarbeitung potenziell angepasst werden könnten, um die endgültige Leistungsfähigkeit dieser Geräte zu verbessern.

Deshalb verbindet meine Doktorarbeit experimentelle Untersuchungen mit numerischer Modellierung.

Felix Manhart: Warum ist diese Forschung besonders relevant für medizinische Anwendungen und letztlich für Patienten?

Sara Bonfanti: Führungsdrähte spielen bei vielen kathetergestützten und minimalinvasiven Eingriffen eine wichtige Rolle. Daher ist es unerlässlich, ihr mechanisches Verhalten zu verstehen und zuverlässig vorherzusagen.

Ein besseres Verständnis könnte dazu beitragen, Probleme wie Schäden am Führungsdraht zu vermeiden und unser Verständnis darüber zu verbessern, wie er sich während eines medizinischen Eingriffs verhält.

Langfristig könnten verbesserte Modelle Ärzten auch dabei helfen, einen geeigneten Führungsdraht für eine bestimmte Anwendung auszuwählen und dessen Leistung während eines Eingriffs besser vorherzusagen. Letztendlich könnte dies Ärzte unterstützen und zu besseren Behandlungsergebnissen für Patienten beitragen.

Felix Manhart: Deine Promotion verbindet experimentelle Forschung bei Ingpuls mit computergestützter Modellierung in Galway. Wie ergänzen sich diese beiden Bereiche?

Sara Bonfanti: Ich denke, diese Kombination ist eine der großen Stärken des Projekts.

Bei Ingpuls kann ich mich auf den experimentellen Teil konzentrieren und vom Fachwissen in den Bereichen Materialwissenschaft, Nitinol und Formgedächtnislegierungen profitieren. Insbesondere kann ich lernen, wie das Material hergestellt und verarbeitet wird und wie diese Schritte die endgültigen Eigenschaften des Führungsdrahtes beeinflussen.

Für den Teil der computergestützten Modellierung werde ich später nach Galway wechseln, wo ich meine Kenntnisse in der Finite-Elemente-Analyse und der Materialmodellierung weiter ausbauen kann. Später werde ich auch wieder zu Ingpuls zurückkehren. Das gibt mir die Möglichkeit, beide Perspektiven während meiner gesamten Promotion miteinander zu verknüpfen.

Felix Manhart: Was macht Ingpuls und das MEDALLOY-Netzwerk zu einem interessanten Umfeld für deine Forschung?

Sara Bonfanti: Für mich ist es eine sehr wertvolle Kombination verschiedener Fachgebiete. Bei Ingpuls habe ich die Möglichkeit, den gesamten Weg von der Materialentwicklung über den Rohstoff bis hin zu den verschiedenen Verarbeitungsschritten und schließlich zum fertigen Bauteil besser zu verstehen.

Durch das MEDALLOY-Netzwerk und die Zusammenarbeit mit der Universität in Galway kann ich dieses Wissen mit computergestützter Modellierung und Finite-Elemente-Analyse verbinden.

Das Zusammenführen dieser unterschiedlichen Perspektiven und Fachgebiete macht das Projekt für mich besonders interessant.

Felix Manhart: Wenn du ein paar Jahre in die Zukunft blickst: Was müsste passiert sein, damit du sagst, dass deine Promotion wirklich etwas bewirkt hat?

Sara Bonfanti: Wenn wir gemeinsam mit den anderen Doktoranden im MEDALLOY-Projekt zu einem besseren Verständnis und einer besseren Vorhersage des Nitinol-Verhaltens beitragen können, wäre das für mich bereits eine große Errungenschaft.

Was meinen Teil des Projekts angeht, möchte ich insbesondere dazu beitragen, die rechnerische Beschreibung des Verhaltens von Führungsdrähten und die zugrunde liegenden Materialmodelle zu verbessern.

Wenn die daraus gewonnenen Erkenntnisse oder Werkzeuge den Klinikern letztendlich helfen könnten, fundiertere Entscheidungen für einen bestimmten Eingriff oder Patienten zu treffen, und letztendlich zu besseren Behandlungsergebnissen für die Patienten beitragen würden, hätte ich das Gefühl, dass die Forschung wirklich etwas bewirkt hat.

Felix Manhart: Was bedeutet diese Zeit bei Ingpuls und in Deutschland für dich persönlich?

Sara Bonfanti: Ich sehe sie nicht nur als großartige Chance für meine wissenschaftliche und berufliche Entwicklung, sondern auch als wichtige persönliche Erfahrung.

Ich lebe zum ersten Mal in Deutschland. Im Ausland zu leben, neue Menschen kennenzulernen, eine andere Kultur zu entdecken und unterschiedliche Perspektiven zu erleben – all das sind wertvolle Möglichkeiten für persönliches Wachstum.

Außerdem freue ich mich darauf, Bochum, Deutschland und vielleicht auch andere Teile Europas zu entdecken. Ich hoffe, reisen zu können, neue Orte kennenzulernen und natürlich neue Menschen, Freunde und Kollegen zu treffen.

Insgesamt bin ich einfach sehr gespannt und freue mich darauf, richtig loszulegen.

Felix Manhart: Vielen Dank, Sara, für deine Zeit und für das gemeinsame Gespräch. Für Dich weiterhin alles Gute!

Ausblick: Forschung, Zusammenarbeit und Innovation

MEDALLOY zeigt, welches Potenzial in der europäischen Zusammenarbeit liegt, wenn unterschiedliche Kompetenzen entlang der gesamten Wertschöpfungskette medizinischer Anwendungen zusammenkommen.

Für Ingpuls bedeutet die Beteiligung an diesem Netzwerk weit mehr als die Einbringung technologischer Expertise. Es geht auch darum, unterschiedliche Perspektiven miteinander zu verbinden, die nächste Generation von Forschenden zu fördern und gemeinsam neue Antworten auf aktuelle Herausforderungen der Nitinol-Forschung und Medizintechnik zu finden.

Wir freuen uns darauf, Sara während ihrer Promotion zu begleiten und die Zusammenarbeit mit den MEDALLOY-Partnern weiter zu vertiefen.

Gemeinsam möchten wir das Verständnis von Nitinol weiterentwickeln und damit die Grundlage für die nächste Generation innovativer Medizinprodukte stärken.

Über MEDALLOY

MEDALLOY (Advanced Nickel-Titanium Alloys for Medical Device Applications) ist ein europäisches Promotionsnetzwerk unter der Koordination der University of Galway in Irland.

Das Projekt vereint wissenschaftliche, klinische und industrielle Partner aus sechs Ländern, um die Nitinol-Forschung voranzutreiben und neun Promovierende auszubilden.

Weitere Informationen: www.medalloy.eu

Dieses Projekt wird durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon Europe der Europäischen Union im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen gefördert. Fördervereinbarung Nr. 101227596.