Elastisches Sensoren-Jäckchen für ein Kaninchenherz

Mit der Hülle kann die Funktion des Organs kontrolliert werden

Urbana-Champaign. Wissenschaftler haben eine mit Sensoren versehene Hülle für ein schlagendes Kaninchenherz entwickelt. Die Pumpfunktion des Organs werde von dem elastischen Mantel aus Silikon nicht beeinträchtigt, berichten die Wissenschaftler in dem Fachmagazin „Nature Communications“.

Das Herz sei ein komplexes Organ mit zahlreichen synchron arbeitenden Elementen. Deshalb sei es schwierig, die Gesamtheit seiner Funktionen und die Interaktion zwischen den elektrischen, den vom Stoffwechsel abhängigen und den mechanischen Komponenten zu erfassen. Diese Lücke könnten neue Methoden wie das nun entwickelte Verfahren füllen.

Sensoren seien bisher immer nur an ein Herz geklebt oder genäht worden, außerdem könnten sie jeweils nur ein relativ kleines Gebiet erfassen, schreiben die Wissenschaftler um John Rogers von der University of Illinois in Urbana-Champaign. Für ihre Hightech-Hülle scannten sie zunächst ein Kaninchenherz und erstellten dann mit einem 3-D-Drucker ein dreidimensionales Modell des Herzbeutels. An diese Form angepasste Sensoren wurden anschließend in einem weiteren Schritt in eine passgenaue Silikonmembran eingebettet.

Für seine Aufgaben ist das Sensoren-Jäckchen mit vielen technischen Finessen ausgestattet: Eine typische 3-D-MIM (Multifunctional Integumentary Membran) besitze winzige, auf dem Halbleiter Indiumgalliumnitrid basierende Dioden für optische Messungen, Silikon-Nanomembranen zur Erfassung von mechanischen Kräften, pH-Sensoren aus Iridiumoxid sowie Goldelektroden für elektrische Messungen und zur Stimulation. Die nur etwa 150 Mikrometer dünne Membran werde etwas kleiner angefertigt als der Umfang des Herzbeutels. Dadurch werde ein guter Kontakt zum Gewebe gewährleistet – ohne aber dabei durch zu viel Druck die natürliche Pumpfunktion zu beeinträchtigen, erläutern die Wissenschaftler ihr Projekt.

Erfasst werden Herzschlag, ph-Wert und Temperaturänderungen

In ihren Experimenten mit den isolierten Kaninchenherzen erfassten die Wissenschaftler unter anderem den Herzschlag, den pH-Wert und Temperaturänderungen als Reaktionen auf elektrische Stimulation, eine veränderte Nährstoffzufuhr oder eine kleine Verbrennung am Herzbeutel. Das jeweilige Kaninchenherz wurde dabei nach der sogenannten Langendorff-Methode behandelt. Dabei wird das entnommene Organ über die Hauptschlagader mit speziellen Nährstofflösungen, die zudem mit Sauerstoff angereichert sind, durchströmt. Das Herz behält während des Versuchs seine Pumpfunktion bei.

Prinzipiell sei die neu entwickelte Silikonhülle nicht nur zur Messung, sondern auch für die Kontrolle von Herzfunktionen einsetzbar, schreiben die Wissenschaftler. Auch die Verwendung für andere Organe sei durchaus denkbar. Für den Einsatz direkt im Tier statt an einem isolierten Herzen bedürfe es aber noch bestimmter Weiterentwicklungen, zum Beispiel bei der Energiezufuhr und der kabellosen Datenübertragung.