Innovation

Metallschaum für die geplagte Wirbelsäule

Knochen haben Löcher: Sind sie deshalb instabil? Im Gegenteil, sagen Wissenschaftler und ahmen den schwammigen Knochenaufbau sogar nach. Das Material könnte schon bald Menschen mit Bandscheibenschäden helfen. Auch die Autoindustrie interessiert sich für die leichten Metalle.

Foto: fraunhofer, pa / Fraunhofer Institut, pa

Löcher in Materialien müssen kein Zeichen von Schwäche sein, die Natur beweist es: Schwammartig aufgebautes Knochengewebe ist eines der stabilsten biologischen Materialien. Es hat sogar 50 Tonnen schwere Saurier getragen.


Das Prinzip steht Pate für funktionale Werkstoffe in der Technik. Metallschäume aus Aluminium, Magnesium, Stahl, Titan oder Zink widerstehen hohen Drücken, dämpfen Schall und Vibrationen und wirken isolierend. Sie lassen sich leicht bohren, sägen und fräsen und ermöglichen vielfältige Anwendungen: als Aufprallschutz im Auto, Katalysator für die Chemie, in der Brennstoffzellentechnik oder als biokompatibler Knochenersatz für die Medizin.


Die Herstellungsweise geschäumter Metalle scheint kinderleicht, erinnert sie doch an ein Rezept fürs Brotbacken mit einer Fertigmischung. Man nehme reichlich Aluminiumpulver und vermische es gleichmäßig mit etwas Titanhydrid, das als Treibmittel dient. Die Mischung wird verpresst, in eine Form gefüllt und bei hoher Temperatur in einem Ofen „gebacken“.

Die Hitze lässt das Metall schmelzen. Dabei wird das in der Titanverbindung eingeschlossene Wasserstoffgas frei und schäumt das flüssige Metall auf. Wie ein Hefeteig geht die Schmelze auf und verfünffacht so das Volumen des neu entstandenen Werkstoffes. Dieser besteht am Ende zu rund 85 Prozent aus Luft und nur zu rund 15 Prozent aus Metall. Der Alu-Schaum ist so leicht, dass er sogar auf Wasser schwimmt. Nach dem Erkalten werden die daraus hergestellten Bauteile aus der Form herausgenommen und sind fertig für den Einsatz.


Sogar Sandwichbauteile mit einem Kern aus Aluminiumschaum und Deckschichten aus Aluminium, Stahl, Kunststoff oder Karbonfasern lassen sich herstellen. Die Verfahren sind inzwischen großserientauglich und voll automatisiert, sagt Joachim Baumeister. Der Physiker am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen war an der Entwicklung der Metallschäume maßgeblich beteilig.


Die Medizintechnik nutzt Metallschäume, um Heilungsprozesse schneller in Gang zu bringen. „Der zelluläre Werkstoff ahmt die natürliche Struktur von Knochen nach. Er eignet sich deshalb ideal als Ersatz“, sagt Martin Bram vom Forschungszentrum Jülich. Bram hat mit seinen Jülicher Kollegen Hans-Peter Buchkremer und Detlev Stöver sowie der Schweizer Firma Synthes ein neuartiges Verfahren entwickelt. Damit kann man die Porengröße von Titanschäumen so einstellen, dass Knochenzellen die Hohlräume optimal besiedeln.


Die vor Kurzem mit dem Schrödinger-Preis gekürte Technik wird inzwischen zur Herstellung von Wirbelsäulenimplantaten genutzt und soll Patienten mit schweren Bandscheibenschäden ein schmerzfreies Leben ermöglichen. „Das Implantat verbindet benachbarte Wirbel und sorgt dafür, dass die Knochen schnell und nahtlos miteinander verwachsen“, erklärt Bram.



Grundlage für die Herstellung poröser Werkstoffe ist dabei die Platzhaltermethode. Metallpulver und ein spezielles, niedrig schmelzendes Platzhaltepulver werden gut miteinander vermischt und unter hohem Druck in einen Block gepresst. Fräsen bringt den Implantatrohling in seine Form, der dann erhitzt wird. Dabei verdampft das Platzhaltepulver. Da alle Partikel im Material eng miteinander verbunden sind, stehen auch die Poren miteinander in Verbindung. Der Werkstoff bildet eine offenporige Struktur aus, die dem Aufbau des Knochens ähnelt und die anschließend hart gebrannt wird.

Für die gewünschte Porengröße sorgt ein Sieb, durch das die Forscher das Pulvergemisch vor dem erstmaligen Erhitzen pressen. Es lässt nur Platzhalterpartikel bestimmter Größe passieren. Das Verfahren haben sich die Jülicher Forscher patentieren lassen. Es kommt auch bei der Herstellung von Elektroden in der Brennstoffzellentechnik zum Einsatz.


Implantate aus einem Titanschaum-Komposit könnten auch Patienten mit komplizierten Knochenbrüchen schneller auf die Beine helfen. Den bioverträglichen Verbundwerkstoff, der in Struktur und Verhalten natürliches Knochengewebe nachahmt, haben Forscher am Dresdener Fraunhofer-Institut Keramische Technologien und Systeme (IKTS) gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut IFAM, der TU-Dresden und dem Dresdener Biotechnikunternehmen Innotere entwickelt. Dabei dient Titanschaum als Gerüst und eine mineralische Beschichtung als Platzhalter für Knochengewebe“, sagt IKTS-Forscher Jörg Adler.


Bei der Herstellung des Metallschaums haben die Forscher neue Wege beschritten. Die Wabenstruktur des Knochens bildet ein Polyurethan-Schwamm nach. Das Kunststoffmodell wird dann mit Titanpulver beschichtet und gesintert. Beim Hartbrennen verdampft der Kunststoff, zurück bleibt die offenzellige Metallstruktur. Sie erhält noch eine Beschichtung aus Calciumphosphat, einem organischen Material, das dem Knochengewebe das Einwachsen erleichtert. „Für Implantate, die das Körpergewicht tragen müssen, sind Metallschäume besser geeignet als herkömmliche Materialien aus Keramik, weil sie stabiler sind“, sagt Adler. Daraus hergestellte Implantate testen die Forscher jetzt in Tierversuchen.


Auch die Automobilindustrie interessiert sich für die ultraleichten Multifunktionswerkstoffe. Audi verwendet in der aktuellen Geländewagenserie des Q7 Alu-Schaum-Teile im Innenraum des Wagens zur Sicherung des Gepäcknetzes. Sie verhindern bei einem Unfall oder einer Vollbremsung, dass Gepäckteile wie Geschosse durch den Fahrzeugraum wirbeln und die Insassen verletzen. „Der Metallschaum schluckt die Aufprallenergie wirkungsvoll, unabhängig davon, aus welcher Richtung der Stoß kommt“, erklärt Baumeister. Deshalb könnte das Material bald auch in Stoßfängern, Motorträgern, Seitenschwellern und anderen aufprallgefährdeten Fahrzeugteilen zum Einsatz kommen.


Wegen der enormen Oberflächenvergrößerung eignen sich Metallschäume ideal für den Einsatz als Katalysatoren, etwa zur Reinigung von Autoabgasen. Während die mit Luft vermischten Abgase durch den Metallschwamm strömen, kommt es zu chemischen Umwandlungen. Schadstoffe werden so unwirksam gemacht. Bisher bestehen Fahrzeugkatalysatoren aus Keramik. Metallschäume bieten Vorteile. „Sie sind nicht so spröde und weniger temperaturempfindlich“, sagt Baumeister. Außerdem hält ein Katalysator aus Metallschaum länger.

Katalysatoren benötigt auch die chemische Industrie, wo sie Reaktionsabläufe effizienter machen. Oft werden Grundstoffe noch in großen Rührkesseln zusammengebracht, bis sie eine feste Verbindung eingehen. „Metallschäume können dazu beitragen solche Prozesse wesentlich wirtschaftlicher zu machen“, sagt Philipp Rudolf von Rohr. Der Professor für Verfahrenstechnik an der ETH Zürich hat einen Mikroreaktor aus Aluminiumschaum entwickelt. Aufgrund der großen inneren Fläche ermöglicht das kugelschreibergroße Reaktionsgefäß einen kontinuierlichen Verfahrensablauf und soll gleich mehrere der bisherigen Produktionsschritte ersetzen. Noch handelt es sich bei dem Mikroreaktor um einen Prototyp.