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Hightechimplantat: Maßgeschneiderte 3-D-Sensoren umhüllen ein komplettes Herz

Mit Silikon und elektronischen Bauteilen lassen sich maßgeschneiderte Sensoren bauen: Die flexiblen Hüllen in der Form eines Organs könnten bei Operationen den Körper überwachen.
Eine passgenaue Mütze für das Herz

Die Organe des menschlichen Körpers sind fast ausnahmslos wabbelig und weich. Umso besser wäre es, wenn dasselbe auch für Sensoren gälte: Solche flexiblen Messinstrumente würden das Gewebe nicht verletzen, könnten aber trotzdem eng genug anliegen, um genaue Daten zu liefern. Wie eine Lösung aussieht, zeigen jetzt Forscher um John Rogers von der University of Illinois in Urbana-Champaign.

Eine passgenaue Mütze für das Herz | In eine dünne Silikonschicht in der exakten Form eines Kaninchenherzens haben Forscher biegsame Elektronik eingebettet. Das erlaubt ihnen, trotz Herzschlag wichtige Daten zu sammeln.

Sein Team kreierte eine flexible Hülle aus Silikon, die über und über mit dünnen Sensoren bestückt ist. Ihren Prototyp stülpten sie dann über ein schlagendes Kaninchenherz, das sie außerhalb des Körpers in einer Nährlösung am Leben erhielten.

Damit der Sensor exakt auf das Organ passte, stellten ihn die Forscher aus dem ohnehin sehr formbaren Silikon her: Zunächst scannten sie das Kaninchenherz und druckten dann mit einem handelsüblichen 3-D-Drucker ein Kunststoffmodell des Organs. An diesem formten sie schließlich die dünne Silikonhülle ab. Wichtig war, dass das Endprodukt das Herz nicht so stark zusammenpresste, um dessen Schlagen zu unterbinden.

Elektronik folgt den Bewegungen des Körpers

Auch die Elektronik der Sensoren muss den Bewegungen des Herzens folgen können. Dazu verwendeten die Forscher einen Trick, den sie bereits vor einiger Zeit entwickelt haben: Statt in geraden Leiterbahnen brachten sie das Metall in vielfach gewundenen Serpentinen auf. So lassen sich die Bahnen auf ein Vielfaches ihrer Ursprungslänge ausdehnen – die Elektronik wird derart flexibel, dass sie sich sogar in ultradünnen Schichten als "Tattoo" auf die Haut auftragen lässt, wie das Team zeigte.

Am Kaninchenherzen lieferten die Sensoren dann über das gesamte Organ verteilt genaue Angaben über die Temperatur, elektrische Nervenaktivität und den pH-Wert an der jeweiligen Stelle. Je nach Bedarf lassen sich auch andere Messinstrumente in das Silikon einbetten.

Integrierter Herzschrittmacher?

Auch Stimulationselektroden dürften sich integrieren lassen. Mit ihnen könnte der Herzmuskel zum Schlagen gebracht werden, der Apparat übernähme dann die Rolle eines Herzschrittmachers. Praxisnäher dürfte es allerdings sein, mit den Sensoren die Funktion von Organen während einer Operation oder in den Tagen danach zu überwachen.

Dazu muss die Hülle das Organ keineswegs vollständig umschließen, sagt Rogers. Der Nutzen entstehe vor allem dadurch, dass es die Technik erlaubt, der gekrümmten Form biologischer Strukturen zu folgen. Es dürfte ohnehin keine gute Idee sein, ein Organ wie das Herz mit einer Rundum-Silikonmembran dauerhaft vom Restkörper zu separieren.

Energieversorgung noch ungeklärt

Bis die flexible Sensormütze zu ihrem ersten echten Einsatz kommt, müssen die Forscher daher noch eine Reihe wichtiger Fragen klären. Unklar ist beispielsweise, wie die Sensoren mit Energie versorgt werden können, etwa ob sich eine drahtlose Energieübertragung besser eignet als eine implantierte Mikrobatterie. Ihr nächster Schritt besteht den Forschern zufolge darin, das Gerät vor Ort zu testen – das heißt an Organen, die sich noch im Körper von Versuchstieren befinden.

© John Rogers et al., UIUC
Sensor am schlagenden Herzen
Noch funktioniert die Technik nur außerhalb des Körpers – so wie hier an einem Kaninchenherzen, das in einer Nährlösung am Schlagen gehalten wird.

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