Schüler der Natur: Bionische Technik für die Medizin

Die Bionik ist kein neues Forschungsgebiet, bereits Leonardo da Vinci nahm sich für seine Flugmaschinen die Vögel zum Vorbild. Aber bis heute bleibt die Bionik hochspannend. Denn oft lassen sich Lösungen dort finden, wo man sie nicht vermuten würde. Oder hätten Sie gedacht, dass ein Darmparasit jüngst Pate für ein Pflaster stand?

03.11.2014

Foto: Da Vinci Zeichnung

Leonardo Da Vinicis Fluggeräte nahmen sich ebenfalls die Natur zum Beispiel; © panthermedia.net /Janaka Dharmasena

Die Forscher um Dr. Jeff Karp, Associate Professor des Brigham and Women’s Hospital, Harvard Medical School, nahmen sich den in Fischen lebenden Kratzwurm (Pomphorhynchus laevis) zum Vorbild, um ein neuartiges Pflaster zu entwickeln, welches nicht auf der Haut klebt, sondern sich mit hunderten kleinen Spitzen in die Haut bohrt. Was unangenehm klingt, soll tatsächlich völlig schmerzfrei sein. Einmal in der Haut, dehnen sich die „Stacheln“ aus, sodass das Pflaster fest auf der Haut haftet. Auslöser für diese Erfindung waren laut Karp Verbrennungspatienten, deren neue, transplantierte Haut besonders empfindlich ist und auf denen herkömmliche Pflaster kaum haften. Für die Zukunft wollen die Forscher außerdem erreichen, dass über die Stacheln des Pflasters Medikamente wie Antibiotika verabreicht werden können. Wie die Patienten das neue Pflaster annehmen, wird sich zeigen. 

Die Inspiration kommt nicht aus dem Nichts

Der Gedanke, sich eine Idee aus der Natur „zu klauen“, hat in der Regel wenig mit einer plötzlichen Eingebung als vielmehr mit einer gezielten Suche zu tun. Dr. Oliver Schwarz vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA hat mit seinem Team unter anderem einen medizinischen Bohrer entwickelt, der Löcher auch mit eckigem Querschnitt bohren kann. Diese werden bei Hüft-OPs benötigt, in denen eine Endoprothese eingesetzt wird. Das Team hat dabei gezielt nach biologischen Ideengebern gesucht. Schwarz: „Wir nutzten das Top-down-Prinzip, um eine Lösung für unser Problem zu finden. Erleichtert wird die Suche, weil wir uns im gleichen biologischen Material wie die Natur bewegen. Es gibt Zähne, Rüssel oder Kauwerkzeuge, die bereits an chirurgische Bohrer oder Zangen erinnern. Diese können zur Inspiration dienen, eine Blaupause liefert die Natur jedoch nicht.“

Foto: Zwei Hände, die einen Bohrer halten

Der neue Bohrer arbeitet nach dem Pendelhubprinzip, wodurch der Bohrer kaum angedrückt werden muss; © Fraunhofer IPA

Schwarz und sein Team wurden schließlich an ungewöhnlicher Stelle fündig: bei den Holzwespen. Diese gehören zur Familie der Hautflügler und besitzen die Eigenschaft, bis zu sechs Zentimeter tiefe Löcher in Holz bohren zu können – ohne Rotation! Mit ihrem Legestachel raspeln sie sich durch das Holz. Dieses Prinzip übertrug das Team auf einen medizinischen Bohrer. „Es kommt bei dieser Art des Bohrens zu keinem Drehmoment, man benötigt auch nur eine geringe Axialkraft weil er sich selbst hinein arbeitet. Wir sind beim Bohren nicht auf runde Löcher beschränkt. Wenn wir den Knochen wegraspeln, könnte man auch Ausschnitte mit drei- oder mehreckigem Querschnitt schaffen, ganz wie es die Situation erfordert. Bei unserem Gerät soll der Chirurg über feine Vibration und das Raspelgeräusch eine haptische und akustische Rückmeldung bekommen, falls er während des Bohrens aus der Spongiosa heraus bohrt.“

Für den OP-Bohrer wird ein Gewicht von 1,5 Kilogramm angepeilt, in seine Einzelteile zerlegt soll er gut sterilisiert werden können. Noch existiert das Gerät nur auf dem Reißbrett, ein Prototyp soll jedoch bald folgen.
Foto: Spermien

Die kleinen Biobots ahmen die Fortbewegung von Spermien nach; ©panthermedia.net/Martin Kreutz

Kleine Hybriden

Ein gänzlich anderer Ansatz haben dagegen die kleinen Schwimmroboter von Professor Taher Saif von der University of Illinois. Technisch nimmt er sich Spermien und Wasserschlangen zum Vorbild, angetrieben werden seine Mikroschwimmroboter, die einmal Medikamente durch den menschlichen Körper transportieren sollen, jedoch von lebenden Herzzellen – sozusagen ein bionischer Bio-Technik-Hybrid. Die Herzzellen sorgen durch ihr pulsieren dafür, dass ein nur 7 Mikrometer breiter und anderthalb Millimeter langer Kunststoffschwanz regelmäßig verbogen wird und so eine Welle erzeugt, die den Winzling nach vorne treibt. Um jedoch gezielt navigieren zu können, werden mehrere Kunststoffschwänzchen nötig sein. Man darf gespannt sein, ob und wann diese neue Technik Einzug in die Medizin erhält.

Sicher ist jedoch, dass die Natur uns noch viele Lösungen zukommen lassen wird, zum Teil per Zufallsfund, zum Teil, weil wir aktiv danach suchen. Man darf also gespannt sein, welche Hilfe die Natur uns bei weiteren medizintechnischen Fragestellungen bietet.

Foto: Simone Ernst; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Simone Ernst
COMPAMED.de