Biologisch abbaubarer implantierbarer Sensor ermöglicht Echtzeit-Überwachung Körperfunktionen

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

In einer Studie berichteten Penn-State-Forscher, sie hätten einen flexiblen und implantierbaren Sensor entworfen, der verschiedene Formen von Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) Gas im Körper überwachen kann. Die Überwachung dieser Gase ist wichtig, weil sie entweder eine nützliche oder manchmal schädliche Rolle in der menschlichen Gesundheit spielen können.

Stickstoffmonoxid wird beispielsweise natürlich im menschlichen Körper produziert und spielt eine wichtige Rolle für die Gesundheit, da es Blutgefäße entspannt oder weitet, 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 ist.

Das Team fügte ihrem Sensordesign eine Wendung hinzu, indem sie es aus Materialien herstellten, die nicht nur implantierbar, flexibel und dehnbar, sondern auch biologisch abbaubar sind. Während aktuelle Geräte außerhalb des Körpers zur Überwachung von Gaswerten verwendet werden, sagte Cheng, sie seien sperrig und potenziell nicht so präzise wie ein implantierbares Gerät. Implantierbare Geräte müssen jedoch entfernt werden, was einen weiteren Eingriff bedeuten könnte. Die Forscher untersuchten ein Design, das nicht entfernt werden muss.

„Nehmen wir an, Sie haben einen Herzchirurgie-Eingriff; der Monitor außerhalb des Körpers könnte nicht ausreichen, um das Gas zu detektieren“, sagte Professor Huanyu „Larry“ Cheng. „Es könnte viel vorteilhafter sein, die Gaswerte von der Herzoberfläche oder von inneren Organen zu überwachen. Dieser Gassensor ist implantierbar und biologisch abbaubar, was eine weitere Forschungsrichtung ist, an der wir gearbeitet haben. Wenn der Patient sich vollständig von einem chirurgischen Eingriff erholt, braucht er das Gerät nicht mehr, was biologisch abbaubare Geräte nützlich macht.“

Laut den Forschern sind alle Komponenten in Wasser oder Körperflüssigkeiten biologisch abbaubar, bleiben aber funktionsfähig genug, um Informationen über die Gaswerte zu erfassen. In diesem Fall stellten die Forscher die elektrischen Leiter des Geräts aus Magnesium her, und für die Funktionsmaterialien verwendeten sie Silizium, das auch hochsensitiv für Stickstoffmonoxid ist. Silizium ist einzigartig – es ist der Baustein moderner Elektronik, gilt als super-stabil und ist biologisch abbaubar. Es kann sich sehr langsam auflösen, etwa ein bis zwei Nanometer pro Tag, abhängig von der Umgebung. Nicht nur kann der Körper alle im Gerät verwendeten Materialien sicher aufnehmen, sondern sie lösen sich langsam genug auf, um den Sensoren zu erlauben, im Körper während der Erholungsphase des Patienten zu funktionieren.

Der Sensor wurde in feuchten Bedingungen und wässrigen Lösungen getestet, um zu zeigen, dass er stabil in den harten Bedingungen des Körpers performen kann. Das Team nutzte die Rechenressourcen von ICDS's Roar-Supercomputer, um Computersimulationen zu erstellen, die extrem kleine Änderungen durch leichte Formänderungen oder Deformationen des Materials berechnen können. Sie basierten ihre Messung auf Widerstand, der sich basierend auf der Gasabsorption ändern kann.

Die Forscher sagen, zukünftige Arbeit könnte sich mit dem Design integrierter Systeme befassen, die andere Körperfunktionen für gesundes Altern und verschiedene Krankheitsanwendungen überwachen könnten.