14.03.2014, 11:58 Uhr | 0 |

Hightech am schlagenden Herz Sensorhülle sammelt Daten des schlagenden Herzens

Präziser als jemals zuvor kontrolliert eine sensorbestückte Silikonhülle die Funktion des schlagenden Herzens. Bislang haben sie amerikanische Wissenschaftler erfolgreich über ein Kaninchenherz gestülpt. In Zukunft soll sie Ärzten dann aber auch besseres Monitoring ihrer Herzpatienten ermöglichen. 

Sensormütze auf Kaninchenherz
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In eine dünne Silikonschicht in der exakten Form eines Kaninchenherzens haben Forscher biegsame Elektronik eingebettet. Das macht es möglich, während des Herzschlags wichtige Funktionsdaten zu sammeln.

Foto: University of Illinois

An Kaninchenherzen haben US-Wissenschaftler jetzt eine flexible Hülle aus Silikon erfolgreich getestet. Diese Hülle ist mit dünnen Sensoren bestückt. Den Prototypen stülpten die Forscher um John Rogers von der University of Illinois in Urbana-Champaign über ein schlagendes Kaninchenherz, das sie außerhalb des Kaninchenkörpers über die Hauptschlagader mit Nährlösung versorgten und so am Leben erhielten.

Eine typische dreidimensionale Multifunctional Integumentary Membran (3D-MiM) besitzt winzige, auf Indiumgalliumnitrid basierende Dioden für optische Messungen. Dazu gesellen sich Silikon-Nanomembranen zur Erfassung mechanischer Kräfte, pH-Sensoren aus Iridiumoxid sowie Goldelektroden für elektrische Messungen und zur Stimulation.

Die Forscher haben mit dem erfolgreichen Test einen großen Schritt gemacht, um das gesamte Herz umfassend zu belauschen und seine Funktionen zu erfassen. Bisher wurden Sensoren nur vereinzelt an ein Herz geklebt oder genäht. Sie konnten nur jeweils ein relativ kleines Gebiet erfassen. Die Silikon-Hülle aus Illinois hat die technische Raffinesse, das Herz als Gesamtorgan zu durchleuchten.

Modell des Herzbeutels kommt aus dem 3D-Drucker

Die Forscher mussten äußerst präzise Arbeit leisten: Zunächst scannten sie das Herz und erstellten dann mit einem 3D-Drucker ein dreidimensionales Modell des Herzbeutels. An diese Form angepasste Sensoren wurden in einem weiteren Schritt in eine passgenaue Silikonmembran eingebettet.

Die Silikonmembran ist nur etwa 150 Mikrometer dick. Die Forscher um Rogers fertigten sie etwas kleiner als der Umfang des Herzbeutels nach dem 3D-Druck anzeigte. So erreichten sie gleich zweierlei: zum einen ausreichenden Kontakt der Membran zum Gewebe für eine optimale Funktion der Sensoren. Zum anderen übten sie so nur einen minimalen Druck auf das Herz des Kaninchens aus, um die natürliche Pumpfunktion nicht zu beeinträchtigen.

Die Silikonhülle darf das schlagende Herz nicht so stark zusammenpressen, dass sie den Herzschlag erstickt. Gleichzeitig muss es aber eng genug anliegen, um über das gesamte Organ verteilt die relevanten Daten zu erfassen. Der Prototyp aus Illinois liefert exakte Angaben über Temperatur, elektrische Nervenaktivität und pH-Wert an der jeweiligen Stelle. Die Pumpfunktion des Kaninchenherzens sei dadurch nicht beeinträchtigt worden, berichten die Forscher um Rogers im Fachmagazin Nature Communications.

Bioverträgliche Polymerschicht fixiert Sensoren 

Die Wissenschaftler haben einen besonderen Trick verwendet, um ein großes Problem dieser Messmethodik in den Griff zu bekommen: Es bilden sich Falten, wenn man eine Hülle um ein Organ wie ein Herz schlägt. Und diese Falten schlagen sich sofort in Messungenauigkeiten nieder, sie sind somit kontraproduktiv. Die Forscher aus Illinois verteilten zunächst die Sensoren auf der Oberfläche des Herzmodells, genau dort, wo sie ihre Messungen durchführen sollten. Anschließend überzogen sie diese Sensoren mit einer elastischen bioverträglichen Polymerschicht. Dadurch werden die Sensoren in ihrer Position auf der Oberfläche des Herzens fixiert. Und die Folie schließt sich ohne Falten um das schlagende Organ.

Doch auch die Elektronik der Sensoren muss den Bewegungen des Herzens folgen können. Dazu brachten die Forscher das Metall der Elektroden in vielfach gewundenen Serpentinen auf. So lassen sich die Bahnen auf ein Vielfaches ihrer Ursprungslänge ausdehnen. Dadurch wird die Elektronik so flexibel, dass sie sich in ultradünnen Schichten wie ein Tattoo auf die Haut auftragen lässt.

Klinische Anwendungen denkbar

Die Fachwelt ist voll des Lobes über die Feinarbeit aus Illinois. „Wir haben lange darauf gewartet, mechanische und elektrische Herzfunktionen mit einer solchen Präzision zu messen“, sagt etwa Nicholas Peters, Leiter der Kardiologie am Imperial College London. Er hält auch klinische Anwendungen mit dieser Technik für denkbar. So kann eine solche Sensorhülle die Herzfunktionen nach einer komplizierten Operation lückenlos überwachen. Statt eines 3D-Drucks müsse man dann auf Computertomographien eines Herzens zurückgreifen. Der Stanford-Materialwissenschaftler Zhenan Bao ist hingegen völlig pragmatisch: „Das ist eine hübsche Anwendung des 3D-Drucks.“

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Von Detlef Stoller
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