Eine neue Lösung für die Stromversorgung von Herzpumpen

Viele Patient:innen, die auf ein Spenderherz warten, k?nnen nur mithilfe einer Pumpe weiterleben, die direkt an ihrem Herzen angebracht ist. Diese Pumpe braucht etwa so viel Strom wie ein Fernseher, den sie ¨¹ber ein sieben Millimeter dickes Kabel aus einer externen Batterie zieht. Das System ist zwar handlich und zuverl?ssig, hat aber eine grosse Schw?che: Trotz medikament?ser Massnahmen kann die Austrittsstelle des Kabels am Bauch zum Einfallstor f¨¹r Bakterien werden.

Geht es nach ETH-Forscher Andreas Kourouklis soll dieses Problem bald der Vergangenheit angeh?ren. Gemeinsam mit ETH-Professor Edoardo Mazza und ?rzt:innen des Deutschen Herzzentrums in Berlin hat der Ingenieur ein neues Kabelsystem entwickelt, das die Herzpumpe mit Strom versorgt, ohne dass es dabei zu Infektionen kommt. Das ist besonders relevant, da drahtlose Methoden zur Strom¨¹bertragung in absehbarer Zeit nicht f¨¹r Patient:innen zur Verf¨¹gung stehen werden. Kourouklis hat ein Pioneer Fellowship der ETH Z¨¹rich erhalten, um die Technologie voranzutreiben.

D¨¹nne Dr?hte mit Kratern ersetzen dickes Kabel

?Durch das dicke Kabel in bestehenden Kreislaufunterst¨¹tzungssystemen entsteht eine offene Wunde, die nicht verheilt und die Lebensqualit?t von Patient:innen stark beeintr?chtigt?, erkl?rt Kourouklis. Um die Austrittsstelle herum bildet sich schlecht durchblutetes Narbengewebe, das nicht nur die Selbstheilung der Haut beeintr?chtigt, sondern auch das Infektionsrisiko erh?ht. Da die ?usseren Hautschichten auf der glatten Oberfl?che des Kabels nur schlecht anhaften, wachsen sie nach unten ein. Dadurch gelangen Bakterien von der Hautoberfl?che in tiefere Gewebeschichten. Die Folge: Patient:innen haben regelm?ssig mit Infektionen zu k?mpfen, die im Krankenhaus behandelt werden m¨¹ssen.

Eine Technologie von ETH-Forschenden um Andreas Kourouklis soll nun Abhilfe schaffen: Statt eines dicken Kabels, das steifer als die menschliche Haut ist, sollen mehrere d¨¹nne und flexible Dr?hte mit einer gew?lbten, unregelm?ssigen Oberfl?che die Stromversorgung der Herzpumpe sicherstellen. Die Forschenden vergleichen ihren Ansatz mit menschlichen Haaren, die die Haut durchbrechen, ohne Infektionen zu verursachen: ?Flexiblere Dr?hte mit einer Oberfl?che voller kleiner, unregelm?ssiger Krater unterst¨¹tzen die Wundheilung der Haut?, sagt Kourouklis. Der Grund: Die ?ussersten Hautschichten haften besser an diesen Dr?hten und wachsen nicht nach unten ein. Es bildet sich schneller neues Gewebe und die Haut bleibt als Barriere gegen bakterielle Infektionen eher intakt.

Wassertropfen erzeugen kleine Krater

Um die Krater auf der Kabeloberfl?che zu erzeugen, haben die Forschenden um Kourouklis und ETH-Professor Mazza ein neues Verfahren entwickelt. Damit k?nnen sie auch Oberfl?chen, die nicht flach sind, mit sehr kleinen, unregelm?ssigen Mustern versehen, was bis anhin nicht m?glich war.

Die Methode, die aktuell an der ETH Z¨¹rich patentiert wird, funktioniert wie folgt: Die Forschenden ¨¹berziehen die flexiblen Dr?hte mit einer d¨¹nnen Silikonschicht und k¨¹hlen sie auf minus 20 Grad Celsius hab. Dadurch wird die Oberfl?che formbar. Anschliessend kommen die Dr?hte in die Kondensationskammer, wo sich kleine Wassertropfen in die fluide Silikonschicht dr¨¹cken so unregelm?ssige Krater erzeugen. Dazu Pioneer Fellow Kourouklis: ?Wir k?nnen die Position der Krater ¨¹ber die Feuchtigkeit und die Temperatur in der Kondensationskammer ver?ndern.?

Die Herausforderung dabei ist, dass die Krater weder zu gross noch zu klein sein d¨¹rfen: Sind sie zu gross, k?nnen sich Bakterien darin einnisten und das Infektionsrisiko steigt. Sind sie hingegen zu klein, bleibt die Haut daran nicht haften und w?chst nach unten ¨C auch in diesem Fall steigt die Gefahr von Infektionen. Ein klassisches Optimierungsproblem, das Kourouklis und sein Team durch computergest¨¹tzte Modelle und Experimente zu l?sen versuchen.

Erste Tests best?tigen geringere Infektionsgefahr

Die ersten Tests f¨¹hrten Kourouklis und seine Kolleg:innen an Hautzellkulturen durch. Erst dann wurden sowohl das neue Kabelsystem als auch das alte, dicke Kabel einem Schaf implantiert. Die Ergebnisse stimmen den ETH-Forscher optimistisch: W?hrend die dicken Kabel mit glatter Oberfl?che zu schweren Entz¨¹ndungen f¨¹hrten, kam es bei den d¨¹nnen, flexiblen Kabeln nur zu milden Entz¨¹ndungsreaktionen. Kein Schaf erlitt bei den Versuchen bleibende Verletzungen.

Wichtiger noch: Die Haut der Schafe haftete besser an den neuen Kabeln an und wuchs im Vergleich zu den dicken Kabeln kaum nach unten. Dementsprechend kam es bei den d¨¹nnen Kabeln mit Kratern auch nicht zu Infektionen der Austrittswunde bei den Tieren.

Kourouklis arbeitet derzeit mit Medizintechniker:innen und Herzchirurg:innen daran, das Kabelsystem zu verbessern. Sein Ziel ist, die Technologie so bald wie m?glich auf den Markt zu bringen. Bevor das neue Kabelsystem jedoch bei Herzpatienten eingesetzt werden kann, sind noch eine Reihe von Tests an Hautmodellen, Tieren und schliesslich an Menschen notwendig.