Fraunhofer-Institut für Elektronische Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFTEtwa 10 % der westlichen Bevölkerung müssen sich irgendwann aufgrund einer Arrhythmie oder für einen Herzklappenersatz einer Angioplastieoperation unterziehen. Diese minimal-invasiven Eingriffe am Herzen werden mithilfe einer Vielzahl an intelligenten Bildgebungs- und Sensorkathetern unterstützt, die wie »Augen und Ohren« am Eingriffsort wirken. Forschende der Fraunhofer EMFT haben eine an der Einrichtung realisierte Mikropumpe weiterentwickelt, um sie künftig in solche »smarten« Herzkatheter integrieren zu können. Mit Hilfe der Pumpe könnten Stammzellen in geschädigtes Herzgewebe transportiert werden, sodass sich dieses regeneriert.
Smarter Katheter zur zellbasierten Herzinfarkttherapie
Siliziummikropumpe mit Abmessungen von 3,5x3 mm.
Obwohl die intelligenten Instrumente absolut unverzichtbar und lebensrettend sind, gab es in den letzten zehn Jahren aufgrund der oft geringen Produktionsvolumina wenige bis keine Innovationen. Entsprechend hoch ist die Nachfrage nach Instrumenten mit besserer Funktionalität seitens der Kliniken. Das EU-Projekt Position-II bietet für dieses Problem eine einzigartige Lösung.
In dem Vorhaben arbeiten 43 europäische Unternehmen und Forschungseinrichtungen unter der Koordination von Philips daran, eine verteilte Pilotlinie für intelligente Katheter und Implantate zu etablieren. Die Partner wollen dabei fünf Demonstratoren realisieren, die das Innovationspotenzial in existierenden Märkten aufzeigen, bzw. den Grundstein für die Erschließung neuer Märkte legen.
Ein Forschungsteam der Fraunhofer EMFT entwickelt im Rahmen des Projekts gemeinsam mit den Partnern alphaSIP, Ciber, Cicautxo, Philips, Johnson Matthey, Universidad Zaragoza, Universidad Complutense de Madrid und Fundación Centro de Cirugía de Mínima Invasión Jesús Usón einen Zelltherapiekatheter, der Stammzellen in abgestorbenes Herzmuskelgewebe transportiert.
Herzstück ist eine Dosiereinheit, welche die Zellen durch den Katheter bis ins Herz pumpt, ohne dass der Druck im Herzen und der dazukommende fluidische Gegendruck die Dosiergenauigkeit beeinträchtigt. Diese Aufgabe soll von einer nur 5x5x0.8 mm³ großen piezoelektrischen Mikromembranpumpe übernommen werden, die an der Fraunhofer EMFT entwickelt wurde. Für die Anwendung im Herzkatheter haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Pumpkammer angepasst sowie die Piezomontage optimiert, um den benötigten Druck und Fluss zu erreichen.
Alginatkapseln im dünnen Katheter, mit dem sie bis zum Herzmuskel transportiert werden. Um ein Verstopfen zu verhindern, muss der Durchmesser des Katheters auf die Größe der Kapseln abgestimmt sein.
Alginatkapseln mit Stammzellen zur zellbasierten Herzinfarkttherapie
Um die Pumpcharakteristik weiter zu optimieren, werden zusätzlich die Grenzen der Ansteuerspannung untersucht. Dabei will das Forschungsteam der Fraunhofer EMFT herausfinden, ab welchen negativen Feldstärken eine Degradation (durch Depolarisation der Piezokeramik) stattfindet. Um die Stabilität der Förderleistung nachzuweisen, werden die Pumpen detailliert charakterisiert (Luft- und Wasserfluss mit und ohne Gegendruck, Einfluss der Temperatur) und die Ergebnisse mit den Abschätzungen und Berechnungen während der Auslegung verglichen.
Die für dieses Projekt optimierte Pumpe bietet als Teil der Technologieplattform Potenzial für viele weitere biomedizinische Anwendungen wie beispielsweise zur Medikamentendosierung oder in Zellkulturanwendungen.
Bevor der smarte Katheter tatsächlich zur Behandlung eingesetzt werden kann, muss er zunächst zur Produktreife weiterentwickelt werden und danach die erforderlichen klinischen Tests zur Zulassung durchlaufen.