Herzschlag mit optischer Faser regulieren 28.02.2024, 15:00 Uhr

Ultradünn und minimalinvasiv: Herzschrittmacher wird durch Licht gesteuert

Forschende aus Chicago haben einen Herzschrittmacher entwickelt, der so leicht und klein ist, dass er ohne OP eingesetzt werden kann. Gesteuert wird er ähnlich wie eine Photovoltaikanlage durch extern zugeführtes Licht.

Herzschrittmacher

Der Materialforscher Pengju Li von der University of Chicago hält einen Prototyp eines Herzschrittmachers, der aus einer speziell entwickelten Membran besteht. Mit nur einem Fünfzigstel Gramm ist er deutlich kleiner und leichter als aktuelle Herzschrittmacher.

Foto: Jean Lachat

Millionen von Menschen auf der ganzen Welt sind auf einen Herzschrittmacher angewiesen, kleinen Geräten, die das Herz am Schlagen halten, wenn es das nicht mehr von allein schafft. Solche Geräte sind heute noch recht groß und sie benötigen eine Batterie. Herzschrittmacher der Zukunft könnten aus einer Membran bestehen, die dünner als ein menschliches Haar ist.

Zudem benötigt der Herzschrittmacher keine interne Batterie, denn sie wird mit Licht aktiviert. Das Perfekte daran: Das revolutionäre Gerät wird mit dem Katheder eingeführt, es braucht somit keine aufwendige OP. Der Herzschrittmacher muss lediglich von außen mit den benötigten Blitzen versorgt werden. So zumindest die Idee von Forschenden der University of Chicago.

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Solarzellen zur Stimulierung des Körpers

Das Forschungsteam um Prof. Bozhi Tian entwickelt seit Jahren innovative Geräte, die ähnlich wie Solarzellen den menschlichen Körper stimulieren können. Der Einsatz von Photovoltaiktechnologie hat den Vorteil, dass keine beweglichen Teile oder Drähte benötigt werden, die in sensiblen Bereichen wie dem Herzen beschädigt werden oder Probleme verursachen könnten.

Statt auf herkömmliche Batterien setzen die Forscher auf winzige Glasfasern zur Energieversorgung. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, musste das Team die Technologie jedoch speziell für medizinische Anwendungen modifizieren, da das herkömmliche Design von Solarzellen den Anforderungen biologischer Systeme nicht gerecht wird.

Erste Experimente sehr erfolgreich

„Die ersten Experimente waren sehr erfolgreich, und wir sind sehr zuversichtlich, was die Zukunft dieser translationalen Technologie angeht“, so Pengju Li, Doktorand an der Pritzker School of Molecular Engineering der Universität Chicago und Erstautor der Studie. Li erläutert zudem den Unterschied zu einer herkömmlichen Solarzelle:

„Bei einer Solarzelle möchte man so viel Sonnenlicht wie möglich einfangen und die Energie durch die Zelle leiten, egal welcher Teil der Platte getroffen wird. Aber für diese Anwendung möchte man in der Lage sein, ein Licht auf einen sehr begrenzten Bereich zu richten und nur diesen einen Bereich zu aktivieren.“

Weg von den Drähten, hin zum Licht

Die kardiale Resynchronisationstherapie ist eine weit verbreitete Methode zur Behandlung bestimmter Herzerkrankungen. Sie synchronisiert den Herzschlag mit genau abgestimmten elektrischen Impulsen. Traditionell werden dazu Drähte verwendet, die jedoch mit Risiken verbunden sein können.

Um diese Probleme zu umgehen, entwickelten Li und sein Forschungsteam ein photovoltaisches Material, das gezielt durch Licht aktiviert wird. Ihr innovatives Design basiert auf zwei Schichten lichtempfindlichen Siliziums, dem sogenannten P-Typ-Silizium, das elektrische Ladungen erzeugt, sobald es Licht ausgesetzt wird. Die obere Schicht ist von zahlreichen winzigen Löchern durchzogen, eine Eigenschaft, die als Nanoporosität bezeichnet wird. Diese Struktur erhöht nicht nur die elektrische Effizienz, sondern ermöglicht auch eine fokussierte Stromübertragung ohne unerwünschte Streuung.

Membran wandelt Licht in elektrische Impulse um

Das entwickelte Gerät besteht aus einer extrem dünnen flexiblen Membran, die zusammen mit einer optischen Faser über einen kleinen Schlauch minimalinvasiv in den Körper eingebracht wird. Die Glasfaser sendet Licht in bestimmten Mustern aus, das von der Membran aufgenommen und in elektrische Signale umgewandelt wird.

Mit einer Dicke von nur einem Mikrometer – etwa 100-mal dünner als das feinste menschliche Haar – und einer Länge von wenigen Zentimetern ist die Membran außergewöhnlich leicht und wiegt weniger als ein Fünfzigstel Gramm. Zum Vergleich: Moderne Herzschrittmacher wiegen mindestens 5 g. „Je leichter ein medizinisches Gerät ist, desto komfortabler ist es in der Regel für den Patienten“, erklärt Li.

Bislang nur für temporären Einsatz gedacht

Der neu entwickelte Herzschrittmacher ist zunächst einmal nur für den vorübergehenden Einsatz gedacht. Es braucht jedoch keinen chirurgischen Eingriff, um ihn zu entfernen, denn er löst sich mit der Zeit in ungiftige Kieselsäure auf. Das Forschungsteam weist jedoch darauf hin, dass die Lebensdauer des Geräts an den Bedarf an Herzstimulation angepasst werden kann.

Narutoshi Hibino, Professor für Chirurgie an der University of Chicago Medicine und Mitautor der Studie, unterstreicht die Bedeutung dieser Innovation: „Dieser Durchbruch markiert einen entscheidenden Moment in der kardialen Resynchronisationstherapie. Wir stehen am Beginn einer neuen Ära, in der bioelektronische Geräte eine nahtlose Integration in die natürlichen Körperfunktionen ermöglichen.“

Auch für andere Anwendungen geeignet

Obwohl die ersten Experimente an Herzgewebe durchgeführt wurden, sieht das Forschungsteam Potenzial für den Einsatz dieser Methode in der Neuromodulation. Dies könnte beispielsweise die Nervenstimulation bei Bewegungsstörungen wie Parkinson verbessern oder zur Behandlung von chronischen Schmerzen und anderen Krankheiten dienen.

Darüber hinaus hat Li eine Screeningmethode entwickelt, mit der die photoelektrochemische Effizienz verschiedener siliziumbasierter Materialien bewertet werden kann. Diese Methode habe das Potenzial, nicht nur in der medizinischen Forschung, sondern auch bei der Entwicklung neuer Batterietechnologien, Katalysatoren und Photovoltaikzellen Anwendung zu finden, so Tian.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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