Ungiftige Fäden mit variabler Steifigkeit für geschmeidige Herzkatheter
Katheter werden bei vielen chirurgischen Eingriffen verwendet, weil sie minimalinvasiv sind. Zur Behandlung von Herzrhythmusstörungen – einem unregelmässigen Herzschlag – können Chirurginnen beispielsweise eine spezielle Art von Katheter verwenden, um Zugang zum Herzen zu erhalten, anstatt den Brustkorb des Patienten zu öffnen. Der Katheter wird in eine Arterie eingeführt und zum Behandlungsbereich navigiert.
Derzeit gibt es verschiedene Arten von Kathetern und Methoden, die jedoch alle mit Einschränkungen verbunden sind. Die bestehenden klinischen Magnetkatheter können sich beispielsweise jeweils nur in eine Richtung biegen und verfügen nicht über die gewünschte Geschicklichkeit: «Es wäre hilfreich, wenn einige Abschnitte des Katheters sehr weich wären, um sich frei zu biegen und schwierige Bereiche zu erreichen, insbesondere bei Operationen mit offenem Volumen», sagt Yegor Piskarev, Doktorand am EPFL-Labor für Intelligente Systeme (LIS), das von Prof. Dario Floreano geleitet wird: «Diese Abschnitte sollten aber auch auf Kommando steif werden, um eine präzise Steuerung zu ermöglichen oder einen besseren Druck auf die Behandlungszone zu erreichen.»
Je nach Temperatur flexibel oder starr
Die EPFL-Ingenieurfachleute und ihre Kolleginnen und Kollegen von der ETH Zürich haben deshalb den Prototyp eines Katheters entwickelt, dessen Flexibilität und Steifigkeit während einer Operation angepasst werden kann. Das Instrument ist mit zwei Segmenten ausgestattet, die eine individuelle Veränderung der Steifigkeit ermöglichen. Jedes Segment ist aus drei Schichten aufgebaut. Die innerste Schicht besteht aus einem Rohr, in dem die für den Betrieb des Katheters erforderlichen Kabel und das Kühlsystem untergebracht sind. Die mittlere Schicht besteht aus einem leitfähigen Formgedächtnispolymer, das gleichzeitig als Heizung, Temperatursensor und Substrat für die variable Steifigkeit dient. Die äussere Schicht besteht aus Silikon und kapselt das Instrument ein. Diese einfache Struktur ermöglicht die Herstellung des Katheters mit einem Durchmesser von 2,3 mm, wodurch er sich für Herzoperationen eignet. Die Ingenieurfachleute haben für die Herstellung ihres Prototyps die in der Biomedizin bereits weit verbreitete «Tauchtechnik» verwendet und erste Tests durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Materialien ungiftig sind.
Der Prototyp ist für die magnetische Fernnavigation konzipiert. Die Spitze des Katheters ist mit einem kleinen Magneten ausgestattet, der durch ein externes Magnetfeld durch den Körper navigiert werden kann. «Durch die selektive Erweichung und Versteifung einzelner Segmente kann sich der Katheter während der Navigation besser an den Körper anpassen und bei Bedarf die gewünschte Krümmung beibehalten», sagt Dario Floreano. Die Chirurgen steuern die Bewegung des Katheters mit Hilfe eines Joysticks.
Es gibt jedoch auch andere Möglichkeiten: Manuelle Katheter haben keinen Magneten und werden stattdessen manuell geführt; die Chirurgen verwenden Röntgenstrahlen, um kontinuierlich Bilder des Katheters zu erstellen und zu wissen, wo er sich gerade befindet. «Die magnetische Fernnavigation ist eine neuere und weniger verbreitete Methode, die aber effektiver zu sein scheint», sagt Piskarev. «Sie verhindert, dass die Chirurgen während der Bildgebung Röntgenstrahlen ausgesetzt sind, und die Bedienung mit dem Joystick ist einfacher und schneller zu erlernen.»
Das Konzept der Ingenieure befindet sich noch in der Entwicklung. Ihre ersten Ergebnisse werden in Advanced Functional Materials veröffentlicht.
