Implantierbarer Sensor könnte Körperfunktionen messen – und dann sicher biologisch abbauen

Sensoren, die den Zustand eines Patienten während und nach medizinischen Eingriffen überwachen, können teuer, unbequem und sogar gefährlich sein. Jetzt hat ein internationales Forscherteam einen hochempfindlichen flexiblen Gassensor entwickelt, der in den Körper implantiert werden kann – und, nachdem er nicht mehr benötigt wird, sicher biologisch zu Materialien abgebaut wird, die vom Körper absorbiert werden.

In einer Studie berichteten Forscher der Penn State, dass sie einen flexiblen und implantierbaren Sensor entwickelt haben, der verschiedene Formen von Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) im Körper überwachen kann. Die Überwachung dieser Arten von Gasen ist wichtig, da sie für die menschliche Gesundheit entweder eine positive oder manchmal schädliche Rolle spielen können.

Stickoxid zum Beispiel, das natürlich im menschlichen Körper produziert wird, spielt eine wichtige Rolle für die Gesundheit, da es die Blutgefäße entspannt oder erweitert, um den Blutfluss zu verbessern und Sauerstoff und Nährstoffe durch den Körper zirkulieren zu lassen. Andererseits ist die Exposition gegenüber Stickstoffdioxid aus der Umwelt mit dem Fortschreiten von Erkrankungen wie chronisch obstruktiver Lungenerkrankung verbunden. Stickstoffmonoxid ist hochreaktiv und kann in Stickstoffdioxid umgewandelt werden, wenn es Sauerstoff ausgesetzt wird.

Das Team fügte seinem Sensordesign eine Wendung hinzu, indem es Materialien herstellte, die nicht nur implantierbar, flexibel und dehnbar, sondern auch biologisch abbaubar sind. Während aktuelle Geräte außerhalb des Körpers verwendet werden, um den Gasgehalt zu überwachen, seien sie laut Cheng sperrig und möglicherweise nicht so genau wie ein implantierbares Gerät. Implantierbare Geräte müssen jedoch entfernt werden, was eine erneute Operation bedeuten könnte. Die Forscher untersuchten ein Design, das nicht entfernt werden muss.

„Nehmen wir an, Sie haben eine Herzoperation; Der Monitor außerhalb des Körpers reicht möglicherweise nicht aus, um das Gas zu erkennen“, sagte Professor Huanyu „Larry“ Cheng. „Es könnte viel vorteilhafter sein, die Gaskonzentrationen von der Herzoberfläche oder von inneren Organen zu überwachen. Dieser Gassensor ist implantierbar und auch biologisch abbaubar, was eine weitere Forschungsrichtung ist, an der wir gearbeitet haben. Wenn sich der Patient vollständig von einem chirurgischen Eingriff erholt, benötigt er das Gerät nicht mehr, was biologisch abbaubare Geräte sinnvoll macht.“

Laut den Forschern sind alle Komponenten im Wasser oder in Körperflüssigkeiten biologisch abbaubar, bleiben aber funktionsfähig genug, um die Informationen über die Gaskonzentrationen zu erfassen. In diesem Fall haben die Forscher die elektrischen Leiter des Geräts aus Magnesium gefertigt und als Funktionsmaterialien Silizium verwendet, das ebenfalls sehr empfindlich auf Stickoxide reagiert. Silizium ist einzigartig – es ist der Baustein moderner Elektronik, gilt als superstabil und ist biologisch abbaubar. Es kann sich sehr langsam auflösen, je nach Umgebung etwa ein bis zwei Nanometer pro Tag. Der Körper kann nicht nur alle im Gerät verwendeten Materialien sicher aufnehmen, sondern sie lösen sich auch so langsam auf, dass die Sensoren während der Genesungsphase des Patienten im Körper funktionieren können.

Der Sensor wurde unter feuchten Bedingungen und wässrigen Lösungen getestet, um zu zeigen, dass er unter den rauen Bedingungen des Körpers stabil funktioniert. Das Team nutzte Rechenressourcen des Roar-Supercomputers von ICDS, um die Computersimulationen zu erstellen, die extrem kleine Veränderungen berechnen können, die durch geringfügige Formänderungen oder Verformungen des Materials verursacht werden. Sie basierten ihre Messung auf dem Widerstand, der sich je nach Gasabsorption ändern kann.

Die Forscher sagen, dass zukünftige Arbeiten sich mit der Entwicklung integrierter Systeme befassen könnten, die andere Körperfunktionen für gesundes Altern und verschiedene Krankheitsanwendungen überwachen könnten.