Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Herzschrittmacher, tiefe Hirnstimulation, Prothesen: Wo Mensch und Maschine aufeinander treffen

01.10.2013
Bei Herzschrittmachern, bei der tiefen Hirnstimulation, bei Prothesen sind die Schnittstellen von Technik und Gewebe häufig kritische Punkte. An einer optimalen Integration dieser Schnittstellen arbeitet Jan Hansmann in den kommenden Jahren. Dafür ist er von Stuttgart nach Würzburg gewechselt.

Wer heute einen Herzschrittmacher erhält, weiß, dass ihm in etwa sieben bis zehn Jahren erneut ein Eingriff bevorsteht. Dann muss die Batterie gewechselt werden, damit das Gerät weiterhin seine Arbeit verrichten kann.


Jan Hansmann will Herzschrittmacher effektiver machen. Für seine Forschung erhält er 1,4 Millionen Euro. Foto: Gunnar Bartsch

Dabei setzt ein Schrittmacher gerade mal ein Prozent seiner gespeicherten Energie dafür ein, die Herzmuskelzellen regelmäßig zu stimulieren. Mehr als die Hälfte der Energie geht verloren, entweder durch Leckströme oder durch Verluste an den Grenzflächen von Elektrode und Herzmuskel. Wenn es gelänge, diese Verluste zu verringern, könnten Herzschrittmacher deutlich länger laufen oder sehr viel kleiner sein.

1,4 Millionen Euro für die Nachwuchsgruppe

Der Ingenieur Dr. Jan Hansmann arbeitet in den kommenden Jahren daran, den Energieverbrauch von Herzschrittmachern zu senken. Am Lehrstuhl für Tissue Engineering und Regenerative Medizin der Professorin Heike Walles baut er zu diesem Zweck gerade eine neue Nachwuchsgruppe auf. Das Bundesforschungsministerium und der Verband Deutscher Ingenieure unterstützen sein Projekt in den kommenden vier Jahren mit rund 1,4 Millionen Euro.

„Die Elektroden eines Herzschrittmachers werden vom menschlichen Gewebe als Fremdkörper erkannt und in der Folge mit Narbengewebe eingekapselt. An dieser Schicht geht ein großer Teil der eingesetzten Energie verloren“, schildert Hansmann das Problem. Abhilfe könnte ein System schaffen, das Körper und Technik eng miteinander verzahnt und somit eine Vernarbung verhindert. Gesucht ist eine Schnittstelle, die sich nahtlos in das sie umgebende Gewebe integriert.

Mit Nanotechnik direkt in die Zelle

Drei Angriffspunkte sieht der 34-Jährige für die Entwicklung solcher Elektroden: Neue Materialien, eine spezielle Oberflächenstruktur und eine Funktionalisierung der Oberfläche sollen dafür sorgen, in Zukunft möglichst effizient Signale an Zellen zu übertragen. Eine Möglichkeit: Winzige Nanodrähte durchbohren die Zellwand und stimulieren die Zelle im Inneren. Diese Nanodrähte wiederum sind in eine Struktur eingebettet, welche eine optimale Verankerung der Zellen erlaubt und die Kapselbildung verhindert. Eine andere Variante sieht vor, dass die Elektroden an ihrem Ende nicht mehr flach auslaufen, sondern ein dreidimensionales Netz bilden. Hansmann ist jedenfalls zuversichtlich, dass er mit einer Kombination aus allen drei Faktoren die Effizienz von Herzschrittmachern deutlich verbessern kann. „Sonst hätte ich das Projekt nicht gestartet“, sagt er.

Jan Hansmann ist Ingenieur; an der Universität Stuttgart hat er Technische Kybernetik studiert. Für seine Diplomarbeit war Hansmann an das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik in Stuttgart gegangen; in der Arbeitsgruppe von Heike Walles hat er einen Bioreaktor entwickelt, in dem Gewebe mit eigenem Blutgefäßsystem heranwachsen kann. Dafür simuliert der Reaktor die natürliche Umgebung des Körpers möglichst exakt, angefangen beim Druck in den Gefäßen über den Sauerstoffgehalt der Umgebung bis zur Temperatur.

Gewebeproben aus dem Bioreaktor

Solche Bioreaktoren wird Hansmann auch in Würzburg einsetzen bei seiner Suche nach besseren Elektroden. In ihnen will er mit seinem Team aus menschlichen Zellen Gewebe herstellen, an denen sich standardisierte Tests und Messungen durchführen lassen. Bindegewebe, das Makrophagen und Fibroblasten enthält, soll Auskunft über die Fremdkörperreaktion geben. Ganze Komplexe aus Muskel-, Nerven- und Bindegewebe ermöglichen Rückschlüsse auf das Funktionieren im menschlichen Körper. „Das ist einer der Vorteile des Tissue Engineerings: Wir können mit menschlichem Gewebe arbeiten und müssen in unseren Experimenten nicht auf Versuchstiere zurückgreifen, bei denen die Prozesse dann doch nicht absolut identisch sind mit denen beim Menschen“, sagt Hansmann.

Für die Produktion der Elektroden arbeiten die Wissenschaftler mit Partnern aus der Industrie und Forschung zusammen. Einer davon ist die Firma Biolab Technology in Berlin. Diese verfügt über das Know-how zur Herstellung von Elektroden aus biokompatiblen Materialien. Sie wird die Entwicklung neuer Herzschrittmacher-Elektroden in den kommenden Jahren intensiv begleiten.

Weitere Mensch-Maschine-Schnittstellen

Effizientere Herzschrittmacher sind allerdings nur ein Ziel von Hansmanns Arbeit. „Etface – Electronic Tissue Interface“: Der Name seines Forschungsprojekts zeigt, wohin der Weg führen könnte. Denn solche Mensch-Maschine-Schnittstellen finden sich nicht nur im Herzen. Auch bei der tiefen Hirnstimulation, die heutzutage immer häufiger zur Behandlung von Parkinson, Schmerz, Depression und Epilepsie eingesetzt wird, kommen Elektroden zum Einsatz. Diese senden permanent elektrischen Strom in das Gehirn und schalten dort gezielt krank machende Areale aus. Auch hier sind Verbesserungen möglich.

Oder im Bereich der Prothetik. Dort arbeiten Wissenschaftler intensiv daran, eine Verbindung zwischen der Prothese und den Nerven des Patienten zu schaffen, die es den Betroffenen ermöglicht, die künstliche Hand oder das Bein kraft ihrer Gedanken zu steuern. Auch hier sind optimal funktionierende Schnittstellen von zentraler Bedeutung.

Kontakt
Dr.-Ing. Jan Hansmann, (0931) 31-80183, Jan.Hansmann@uni-wuerzburg.de

Gunnar Bartsch | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizintechnik:

nachricht Deutschlandweit erstes Gerät für hoch fokussierten Ultraschall bei Tremor und Parkinson
11.04.2018 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Nuklearmedizinische Herzuntersuchungen – Neue Techniken, größere Präzision
09.04.2018 | Deutsche Gesellschaft für Nuklearmedizin e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizintechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Im Focus: Molecules Brilliantly Illuminated

Physicists at the Laboratory for Attosecond Physics, which is jointly run by Ludwig-Maximilians-Universität and the Max Planck Institute of Quantum Optics, have developed a high-power laser system that generates ultrashort pulses of light covering a large share of the mid-infrared spectrum. The researchers envisage a wide range of applications for the technology – in the early diagnosis of cancer, for instance.

Molecules are the building blocks of life. Like all other organisms, we are made of them. They control our biorhythm, and they can also reflect our state of...

Im Focus: Metalle verbinden ohne Schweißen

Kieler Prototyp für neue Verbindungstechnik wird auf Hannover Messe präsentiert

Schweißen ist noch immer die Standardtechnik, um Metalle miteinander zu verbinden. Doch das aufwändige Verfahren unter hohen Temperaturen ist nicht überall...

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Moleküle brillant beleuchtet

23.04.2018 | Physik Astronomie

Sauber und effizient - Fraunhofer ISE präsentiert Wasserstofftechnologien auf Hannover Messe

23.04.2018 | HANNOVER MESSE

Fraunhofer IMWS entwickelt biobasierte Faser-Kunststoff-Verbunde für Leichtbau-Anwendungen

23.04.2018 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics