4-D-Druck ermöglicht die Stimulation feinster Nerven

Forschende der Technischen Universität München (TUM) und von NTT Research haben flexible Elektroden entwickelt, die sie per 4-D-Druck herstellen können. Bei Kontakt mit Feuchtigkeit falten sich diese von selbst und wickeln sich um dünne Nerven.

Nervenzellen lassen sich auch künstlich stimulieren. Dafür werden Nerven über angelegte oder implantierte Elektroden mit Stromimpulsen angeregt. Eingesetzt wird die periphere Nervenstimulation beispielsweise, um chronische Schmerzen oder Schlafapnoe zu behandeln. Auch bei Depressionen und Epilepsie gibt es bereits klinische Anwendungen, bei denen der Vagusnerv stimuliert wird. Dieser ist mit einem Durchmesser von mehreren Millimetern verhältnismäßig dick.

Schwieriger wird die Stimulation bei haarfeinen Nerven mit zehn bis zu mehreren hunderten Mikrometern, da hier auch die Elektroden entsprechend fein und präzise hergestellt werden müssen. Auch das Einsetzen und Anbringen der Elektrode am Nerv ist im Mikrometerbereich komplizierter.

4-D-Druck ermöglicht verschiedene Formen

Formen sich 3-D-gedruckte Objekte nachträglich gezielt um, zum Beispiel durch Feuchtigkeit oder Wärme, nennt man das 4-D-Druck. Forschende der TUM und des Medical & Health Informatics (MEI) Lab von NTT Research haben nun 4-D-gedruckte Elektroden entwickelt, die sich beim Einsetzen ins feuchte Körpergewebe von selbst um hauchdünne Nerven schließen. Die Elektrode wird zunächst per 3-D-Druck gefertigt. Dadurch können Form, Durchmesser und weitere Merkmale flexibel justiert werden.

Die äußere Seite der Elektrode besteht aus einem biokompatiblen Hydrogel, das bei Kontakt mit Feuchtigkeit anschwillt. Das Material auf der Innenseite ist flexibel, schwillt jedoch nicht mit an. Durch diesen Aufbau schließen sich die Elektroden bei Feuchtigkeit von selbst ringförmig um die Nerven.

Die strukturierte Titan-Goldbeschichtung auf der Innenseite der Elektroden überträgt die elektrischen Signale zwischen Elektroden und Nervenfasern. „Durch den engen Kontakt zwischen den gefalteten Manschetten und den Nerven können wir mit den Elektroden sowohl Nerven stimulieren, als auch Nervensignale messen“, sagt Bernhard Wolfrum, Professor für Neuroelektronik am Munich Institute of Biomedical Engineering (MIBE) der TUM und Leiter der Studie. Dies erweitert die Möglichkeiten für potenzielle Einsatzbereiche.

Selektivere Stimulation

Für die neuen Elektroden sind zukünftig verschiedene biomedizinische Anwendungen denkbar, so zum Beispiel eine Verbesserung von Implantaten für Schlafapnoe. „Aktuell ist es schwierig, selektiv nur die Muskeln zu stimulieren, die die Zunge nach vorne bewegen. Hier könnten die flexiblen Elektroden ansetzen und zukünftig eine Möglichkeit bieten, Nerven selektiver zu stimulieren“, sagt Prof. Clemens Heiser, leitender Oberarzt an der Klinik und Poliklinik für Hals-, Nasen- und Ohrenheilkunde des Universitätsklinikums rechts der Isar der TUM.

Die selbstfaltenden Elektroden sind einfach zu handhaben und robust. Das Forschungsteam konnte ihren Einsatz bereits in Heuschrecken demonstrieren, bei denen feine Nerven mit einem Durchmesser von 100 Mikrometern ummantelt wurden, ohne die Nerven zu beschädigen. So konnten die Wissenschaftler Muskeln gezielt stimulieren. Aktuell noch im Grundlagenstadium, könnten die Elektroden zukünftig ein wichtiges Mittel sein, um die periphere Nervenstimulation in die breitere klinische Anwendung zu bringen.