Weiche Roboter-Nervenmanschetten könnten die Behandlung neurologischer Erkrankungen revolutionieren

Forscher haben winzige, flexible Geräte entwickelt, die sich um einzelne Nervenfasern wickeln können, ohne diese zu beschädigen.

Die Forscher der Universität Cambridge kombinierten flexible Elektronik und Soft-Robotik-Techniken, um die Geräte zu entwickeln, die zur Diagnose und Behandlung einer Reihe von Erkrankungen, darunter Epilepsie und chronische Schmerzen, oder zur Steuerung von Gliedmaßenprothesen eingesetzt werden könnten.

Aktuelle Instrumente zur Kommunikation mit den peripheren Nerven – den 43 Paaren motorischer und sensorischer Nerven, die das Gehirn und das Rückenmark verbinden – sind veraltet, sperrig und bergen ein hohes Risiko für Nervenverletzungen. Allerdings sind die vom Cambridge-Team entwickelten Roboter-Nervenmanschetten empfindlich genug, um empfindliche Nervenfasern zu ergreifen oder um sie zu wickeln, ohne Schaden zu verursachen.

Tests an Nervenmanschetten bei Ratten zeigten, dass die Geräte nur winzige Spannungen benötigen, um ihre Form auf kontrollierte Weise zu ändern und eine selbstschließende Schleife um die Nerven herum zu bilden, ohne dass chirurgische Nähte oder Klebstoffe erforderlich sind.

Die Forscher sagen, dass die Kombination von weichen elektrischen Aktuatoren mit Neurotechnologie eine Antwort auf die minimalinvasive Überwachung und Behandlung einer Reihe neurologischer Erkrankungen sein könnte. Über die Ergebnisse wird im Journal berichtet Naturmaterialien.

Elektrische Nervenimplantate können verwendet werden, um Signale in Zielnerven entweder zu stimulieren oder zu blockieren. Beispielsweise können sie zur Schmerzlinderung beitragen, indem sie Schmerzsignale blockieren, oder sie könnten zur Wiederherstellung der Bewegung gelähmter Gliedmaßen eingesetzt werden, indem sie elektrische Signale an die Nerven senden. Auch bei Eingriffen in Körperregionen mit einer hohen Konzentration an Nervenfasern, beispielsweise in der Nähe des Rückenmarks, gehört die Nervenüberwachung zu den chirurgischen Standardverfahren.

Diese Implantate ermöglichen einen direkten Zugang zu Nervenfasern, sind jedoch mit gewissen Risiken verbunden. „Nervenimplantate bergen ein hohes Risiko einer Nervenverletzung“, sagte Professor George Malliaras vom Department of Engineering in Cambridge, der die Forschung leitete. „Nerven sind klein und sehr empfindlich. Jedes Mal, wenn man etwas Großes wie eine Elektrode damit in Kontakt bringt, stellt dies eine Gefahr für die Nerven dar.“

Nervenmanschetten, die sich um Nerven wickeln, sind derzeit die am wenigsten invasiven Implantate, aber trotzdem sind sie immer noch zu sperrig, steif und schwer zu implantieren, was eine erhebliche Handhabung erfordert und möglicherweise eine Verletzung des Nervs verursacht.“

Dr. Damiano Barone, Co-Autor vom Department of Clinical Neurosciences in Cambridge

Die Forscher entwarfen eine neue Art von Nervenmanschette aus leitenden Polymeren, die normalerweise in der Soft-Robotik verwendet wird. Die ultradünnen Manschetten bestehen aus zwei separaten Schichten. Das Anlegen kleinster Strommengen – nur wenige hundert Millivolt – führt dazu, dass die Geräte anschwellen oder schrumpfen.

Die Manschetten sind so klein, dass sie zu einer Nadel zusammengerollt und in der Nähe des Zielnervs injiziert werden können. Bei elektrischer Aktivierung ändern die Manschetten ihre Form und legen sich um den Nerv, sodass die Nervenaktivität überwacht oder verändert werden kann.

„Um die sichere Verwendung dieser Geräte im Körper zu gewährleisten, ist es uns gelungen, die für die Betätigung erforderliche Spannung auf sehr niedrige Werte zu reduzieren“, sagte Dr. Chaoqun Dong, der Erstautor der Studie. „Was noch wichtiger ist, ist, dass diese Manschetten ihre Form in beide Richtungen ändern und neu programmiert werden können. Dies bedeutet, dass Chirurgen anpassen können, wie eng das Gerät um einen Nerv passt, bis sie die besten Ergebnisse für die Aufzeichnung und Stimulation des Nervs erzielen.“

Tests an Ratten zeigten, dass die Manschetten ohne Operation erfolgreich angelegt werden konnten und eine selbstschließende Schleife um den Zielnerv bildeten. Die Forscher planen weitere Tests der Geräte in Tiermodellen und hoffen, in den nächsten Jahren mit Tests am Menschen beginnen zu können.

„Mit diesem Ansatz können wir Nerven erreichen, die durch eine offene Operation schwer zu erreichen sind, beispielsweise die Nerven, die Schmerzen, Sehvermögen oder Hörvermögen steuern, aber ohne dass etwas in das Gehirn implantiert werden muss“, sagte Barone. „Die Möglichkeit, diese Manschetten so zu platzieren, dass sie sich um die Nerven legen, macht diesen Eingriff für Chirurgen viel einfacher und für Patienten weniger riskant.“

„Die Möglichkeit, ein Implantat herzustellen, das durch elektrische Aktivierung seine Form ändern kann, eröffnet eine Reihe zukünftiger Möglichkeiten für gezielte Behandlungen“, sagte Malliaras. „In Zukunft könnten wir vielleicht Implantate haben, die sich durch den Körper oder sogar ins Gehirn bewegen können – man träumt davon, wie wir die Technologie in Zukunft zum Wohle der Patienten einsetzen könnten.“

Die Forschung wurde teilweise vom Schweizerischen Nationalfonds, dem Cambridge Trust und dem Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), Teil von UK Research and Innovation (UKRI), unterstützt.

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