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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

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