Heutzutage herrscht ein reges Interesse an tragbarer Elektronik: Google beispielsweise expandiert in das Brillengeschäft, während andere Unternehmen mit Hightech-Clips und -Uhren nachverfolgen, was Sie essen und wie Sie sich bewegen, um ihren Marktanteil kämpfen .
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Aber keines davon ist im entferntesten vergleichbar mit dem, was John Rogers, der 2013 Smithsonian American Ingenuity Award Gewinner in den Naturwissenschaften, entwickelt. Sie sehen, sein Gerät ist nicht nur so konstruiert, dass es wie angegossen sitzt, sondern kann auch eines Tages das Leben des Trägers retten.
Der Materialwissenschaftler hat zusammen mit seinem Studententeam an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign erfolgreich getestet, was am besten als Herzenssocke beschrieben werden kann. Das Gerät, das über die gesamte Oberfläche des Herzens angebracht ist, besteht aus einer Reihe von Sensoren, die das Innenleben dieses lebenswichtigsten Organs mit unheimlicher Präzision überwachen. Wenn eine störende Abnormalität festgestellt wird, können Daten an medizinische Fachkräfte weitergeleitet werden. In einem Notfall, beispielsweise während eines Herzinfarkts, könnte es sogar durch die Verabreichung eines elektrodeninduzierten Impulses eingreifen.
Normalerweise pumpt das Herz auf eine Weise, die so effizient ist, dass wir kaum merken, dass es funktioniert. Bei Patienten mit Herzrhythmusstörungen können nicht synchronisierte Herzkontraktionen schwächend sein, was zu Benommenheit, Schwäche, Erbrechen und Brustschmerzen führen kann, bei Patienten mit Herzrhythmusstörungen - oder in einigen Fällen tödlich. Im Laufe der Zeit können rhythmische Unregelmäßigkeiten zu Blutgerinnseln (die manchmal zu Schlaganfällen führen) und im Extremfall zum Herzstillstand führen.
Ärzte können in der Regel Medikamente verschreiben, um diese Art von Problemen zu beheben. In einigen Fällen müssen sich Patienten jedoch an chirurgische Eingriffe wie Herzschrittmacher oder Defibrillatorimplantate wenden. Und während diese Geräte ausreichend funktionieren, ist der Mechanismus, den sie zur Regulierung des Herzschlags einer Person verwenden, eigentlich ziemlich grob. Bei Defibrillatorimplantaten wird ein Elektrodenpaar in der Herzkammer positioniert. Immer wenn eine lebensbedrohliche Arrhythmie festgestellt wird, sendet der Defibrillator einen elektrischen Schlag aus, der das Herz in einen normalen Rhythmus versetzt. Das Problem bei diesem Ansatz ist laut Rogers, dass Aktivitäten aus einer anderen Region des Herzens fälschlicherweise einen schmerzhaften Ruck auslösen können, wenn es nicht wirklich nötig ist.
Rogers 'Gerät umschließt das Herz mit einem viel ausgefeilteren sensorischen System, das genau bestimmen kann, wo eine rhythmische Unregelmäßigkeit auftritt. In gewisser Weise funktioniert es wie die Nervenenden auf einer sekundären Haut.
„Wir wollten die volle Leistung der Schaltungstechnologie nutzen“, sagt Rogers über das Gerät, das seit zweieinhalb Jahren hergestellt wird. „Mit vielen Elektroden kann das Gerät gezielter auf und ab gehen und stimulieren . Es ist wichtig, Wärme oder Impulse an bestimmte Orte zu bringen und dies in messbaren Dosen, die gerade ausreichend sind, zu tun, da das Anwenden von mehr als notwendig nicht nur schmerzhaft ist, sondern auch das Herz schädigen kann. "
Dieses schrittweise Diagramm zeigt, wie das Herzgerät erstellt wurde. (Universität von Illinois und Washington University) Neben dem Potenzial als Notfall-Herzimplantat ermöglicht die Elastizität der Herzsocke eine Reihe weiterer elektronischer und nicht elektronischer Sensoren, die die Kalzium-, Kalium- und Natriumwerte überwachen können - wichtige Indikatoren für die Herzgesundheit. Die Membran kann auch so programmiert werden, dass Änderungen des mechanischen Drucks, der Temperatur und des pH-Werts (Säuregehalt) verfolgt werden. All dies könnte dazu beitragen, einen bevorstehenden Herzinfarkt zu signalisieren.
Zur Herstellung der Prototyphülle scannten die Forscher zunächst ein Kunststoffmodell des Herzens eines Kaninchens und druckten es in 3D. Anschließend haben sie eine Bahn von 68 winzigen elektronischen Sensoren über der Form angeordnet und diese mit einer Schicht aus FDA-zugelassenem Silikongummimaterial beschichtet. Nach dem Gummisatz schälten Rogers 'Laborassistenten das maßgeschneiderte Polymer ab.
Um die Membran zu testen, wickelten die Forscher sie um ein echtes Kaninchenherz, das an eine mechanische Pumpe angeschlossen war. Das Team entwickelte das Gerät ein wenig kleiner als das eigentliche Organ, um ihm einen sanften, handschuhartigen Sitz zu verleihen.
"Das Knifflige dabei ist, " sagt Rogers, "dass die Membran so dimensioniert werden muss, dass gerade genug Druck entsteht, um die Elektroden in ausreichendem Kontakt mit der Oberfläche zu halten. Wenn Sie zu fest drücken, reagiert das Herz." ein negativer Weg. "
"Es muss genau passen", fügt er hinzu.
Wie Michael McAlpine, ein Maschinenbauingenieur an der Princeton University, der nicht an der Forschung beteiligt war, gegenüber The Scientist sagte : " Neu und beeindruckend ist, dass sie eine Reihe verschiedener Funktionen in eine Membran integriert haben, die die gesamte Oberfläche des Herzens abdeckt Diese Verbreitung von Sensoren bietet ein hohes Maß an räumlicher Auflösung für die Herzüberwachung und bietet mehr Kontrolle, wenn es um Stimulation geht. "
Was braucht es also, um diesen Durchbruch vom Labor zum Patienten zu schaffen? Rogers schätzt, dass es noch mindestens ein Jahrzehnt dauern wird, bis etwas für den medizinischen Markt fertig sein könnte. In der Zwischenzeit plant er, weiterhin mit dem Biomediziningenieur der Universität Washington, Igor Efimov, zusammenzuarbeiten, um den Proof-of-Concept in eine praktische, sichere und zuverlässige Technologie umzuwandeln.
Ein Haupthindernis besteht darin, herauszufinden, wie die Membran ohne herkömmliche Batterien mit Strom versorgt werden kann. Derzeit erforschen Rogers und sein Team einige Alternativen, wie das Aufladen mit Ultraschall, eine Methode, bei der Energie drahtlos durch die Haut übertragen wird, sowie die Verwendung von piezoelektrischen Materialien, die Energie aus der Umgebung einfangen. Für letztere gibt es einige Präzedenzfälle für den Erfolg. Vor zwei Jahren nutzten die Ingenieure der University of Michigan solche Materialien, um einen Schrittmacher zu entwickeln, der ausschließlich vom Herzschlag des Benutzers angetrieben wird.
"Da wir versuchen, viel mehr Sensoren einzubauen sowie elektrische Impulse und Wärme zu liefern, wird mehr Energie verbraucht als bei herkömmlichen Herzschrittmachern", sagt Rogers. "Wir hoffen, dass wir in Zukunft die Effizienz verbessern können."
Ein weiteres wichtiges Element ist die Suche nach einer Möglichkeit, Daten an ein externes Gerät zu senden, damit Patienten und Spezialisten darauf zugreifen können. Im Moment zeichnen die Sensoren unter anderem Änderungen der Temperatur und des pH-Werts auf, aber Wissenschaftler müssen noch einen Weg finden, um diese Daten drahtlos zu liefern.
"Die Bluetooth-Kommunikation ist schwach, also schauen wir uns das an", sagt Efimov. „Grundsätzlich werden für das Gerät mehr Komponenten benötigt, und wir benötigen Experten auf anderen Gebieten wie Elektronik, Telemetrie und Software. Letztendlich müssen wir also Risikokapital aufbringen und ein Unternehmen gründen. "
Im Moment liegt der Fokus darauf, dass die Hülle als praktisches Gerät funktioniert. Es ist nicht abzusehen, wie viel es kosten wird, zu produzieren, oder wie viel es die Verbraucher kosten wird, wenn es um den Markt geht.
Die große Frage ist jedoch letztendlich, ob die Herzsocke in vivo oder bei lebenden Probanden sicher und effektiv funktioniert. Herzschrittmacher können in der Regel 10 Jahre dauern. Um praktisch zu sein, müsste Rogers Erfindung auch nachweisen, dass sie mindestens so lange funktionsfähig bleibt. Das Team bereitet sich auf den nächsten Schritt mit einem Piloten vor, der die Membran in einem lebenden Kaninchen testen wird. Dieser Test soll mit Mitteln der National Institutes of Health und anderen Stipendien abgeschlossen werden, an deren Sicherung sie arbeiten. Wenn alles gut geht, wird der nächste Test, ob das Gadget dem Schnupftabak gewachsen ist, beim Menschen stattfinden.
