Textination Newsline

Forscher des Lincoln Laboratory und des MIT entwickeln neue Arten von bioresorbierbaren Stoffen, die die spezielle Art und Weise nachahmen, in der sich weiches Gewebe dehnt und gleichzeitig heranwachsende Zellen ernährt.
 
Steve Gillmer, Mitarbeiter des Lincoln Laboratory, testet die Elastizität eines bioresorbierbaren Gewebes, um seine Steifigkeit mit verschiedenen Arten von menschlichem Gewebe zu vergleichen. Copyright: Foto: Glen Cooper/Lincoln Laboratory

Die Behandlung schwerer oder chronischer Verletzungen von Weichteilen wie Haut und Muskeln ist eine Herausforderung für die Medizin. Die derzeitigen Behandlungsmethoden können kostspielig und wirkungslos sein, wobei davon auszugehen ist, dass die Häufigkeit chronischer Wunden aufgrund von Krankheiten wie Diabetes und Gefäßerkrankungen sowie einer immer älter werdenden Bevölkerung weiter zunehmen wird.

Eine vielversprechende Behandlungsmethode besteht darin, biokompatible Materialien, die mit lebenden Zellen (d. h. Mikrogewebe) besiedelt sind, in die Wunde zu implantieren. Die Materialien bieten ein Gerüst für Stammzellen oder andere Vorläuferzellen, die in das verletzte Gewebe einwachsen und die Regeneration unterstützen. Die derzeitigen Techniken zur Herstellung dieser Gerüstmaterialien unterliegen jedoch einem entscheidenden Nachteil. Menschliches Gewebe bewegt und biegt sich auf eine einzigartige Weise, die herkömmliche weiche Materialien nur schwer nachbilden können, und wenn sich die Gerüste dehnen, können sie auch die eingebetteten Zellen dehnen, was häufig zum Absterben dieser Zellen führt. Die abgestorbenen Zellen behindern den Heilungsprozess und können außerdem eine unbeabsichtigte Immunreaktion des Körpers auslösen.

„Der menschliche Körper hat eine hierarchische Struktur, die sich nicht dehnt, sondern auffaltet“, sagt Steve Gillmer, Forscher in der Mechanical Engineering Group des MIT Lincoln Laboratory. „Wenn Sie Ihre Haut oder Muskeln dehnen, sterben Ihre Zellen deshalb nicht ab. Was tatsächlich passiert, ist, dass sich das Gewebe ein wenig entknittert, bevor es sich dehnt.“

Gillmer ist Teil eines multidisziplinären Forschungsteams, das nach einer Lösung für dieses Dehnungsproblem sucht. Er arbeitet mit Professor Ming Guo von der Abteilung für Maschinenbau des MIT und dem Defense Fabric Discovery Center (DFDC) des Labors zusammen, um neue Arten von Stoffen zu stricken, die sich genau wie menschliches Gewebe entfalten und bewegen können.

Die Idee zur Zusammenarbeit entstand, als Gillmer und Guo einen Kurs am MIT hielten. Guo hatte untersucht, wie man Stammzellen auf neuartigen Materialien züchten kann, die die Entfaltung des natürlichen Gewebes nachahmen. Er entschied sich für elektrogesponnene Nanofasern, die zwar gut funktionierten, aber in großen Längen schwer herzustellen waren, was ihn daran hinderte, die Fasern in größere Maschenstrukturen zur Gewebereparatur in größerem Maßstab zu integrieren.

„Steve erwähnte, dass das Lincoln Laboratory Zugang zu industriellen Strickmaschinen hatte“, sagt Guo. Diese Maschinen ermöglichten es ihm, sich auf die Entwicklung größerer Gestricke zu konzentrieren, anstatt einzelne Garne zu entwerfen. „Wir begannen sofort, neue Ideen mit interner Unterstützung des Labors zu testen.“
Gillmer und Guo arbeiteten mit dem DFDC zusammen, um herauszufinden, welche Strickstrukturen sich ähnlich wie verschiedene Arten von Weichgewebe bewegen können. Sie begannen mit drei grundlegenden Strickdesigns: Interlock, Ripp und Jersey.
 
„Denken Sie bei einem Jersey an Ihr T-Shirt. Wenn Sie Ihr T-Shirt dehnen, übernehmen die Garnschlingen die Dehnung“, sagt Emily Holtzman, Textilspezialistin beim DFDC. „Je länger die Schlaufen sind, desto mehr Dehnung kann der Stoff vertragen. Denken Sie bei gerippten Stoffen an die Manschette Ihres Pullovers. Diese Stoffkonstruktion hat eine universelle Dehnbarkeit, die es dem Stoff ermöglicht, sich wie eine Ziehharmonika zu entfalten.“

Interlock ist dem gerippten Gestrick ähnlich, wird aber in einem dichteren Muster gestrickt und enthält doppelt so viel Garn pro Zoll Stoff. Durch mehr Garn gibt es mehr Oberfläche, in die die Zellen eingebettet werden können. „Gestrickte Stoffe können auch so gestaltet werden, dass sie eine bestimmte Porosität oder hydraulische Durchlässigkeit aufweisen, die durch die Schlingen des Stoffes und die Garngrößen erzeugt wird,“ sagt Erin Doran, eine weitere Textilspezialistin im Team. „Diese Poren können den Heilungsprozess ebenfalls unterstützen.“

Bisher hat das Team eine Reihe von Tests durchgeführt, bei denen embryonale Fibroblastenzellen der Maus und mesenchymale Stammzellen in die verschiedenen Strickmuster eingebettet wurden, um zu sehen, wie sie sich verhalten, wenn die Muster gedehnt werden. Jedes Muster wies Variationen auf, die sich darauf auswirkten, wie stark sich das Gewebe entfalten konnte und wie starr es wurde, nachdem es sich zu dehnen begann. Alle zeigten eine hohe Überlebensrate der Zellen, und 2024 erhielt das Team erneut einen F&E-100-Preis für seine Strickmuster.
 
Gillmer erklärt, dass das Projekt zwar mit Blick auf die Behandlung von Haut- und Muskelverletzungen begann, dass ihre Stoffe jedoch das Potenzial haben, viele verschiedene Arten von menschlichem Weichgewebe, wie Knorpel oder Fett, nachzuahmen. Das Team meldete kürzlich ein vorläufiges Patent an, in dem beschrieben wird, wie diese Muster erstellt werden können und welche Materialien für die Herstellung des Garns verwendet werden sollten. Diese Informationen können als Werkzeugkasten verwendet werden, um verschiedene gestrickte Strukturen auf die mechanischen Eigenschaften des verletzten Gewebes abzustimmen, auf das sie aufgebracht werden.

„Dieses Projekt war definitiv eine Lernerfahrung für mich“, sagt Gillmer. „Jeder Zweig dieses Teams verfügt über ein einzigartiges Fachwissen, und ich denke, das Projekt wäre ohne die Zusammenarbeit aller nicht machbar. Unsere Zusammenarbeit als Ganzes ermöglicht es uns, den Umfang der Arbeit zu erweitern, um diese größeren, komplexeren Probleme zu lösen.“

Forscher haben ein neuartiges dehnbares 3D-Elektronikband entwickelt, das eine Reihe neuer Möglichkeiten für tragbare elektronische Textilien eröffnen soll.

Ein Team der Medical Technologies Innovation Facility an der Nottingham Trent University hat die Arbeit geleitet, die den Weg für eine neue Generation elektronischer Geräte ebnet, die - in Kleidung integriert - im Gesundheitswesen und im Spitzensport eingesetzt werden könnten.

Die Forscher argumentieren, dass der neue Streifen aufgrund seiner Fähigkeit, sich mit dem Körper zu dehnen und zu biegen, erhebliche Vorteile und Funktionen gegenüber vorhandenen Technologien aufweist.

Die 3D-Struktur des Streifens, bei der die Schaltkreise zu einem spiralförmigen Band verdreht sind, macht ihn nicht nur flexibel, sondern auch dehnbar, da er sich in mehrere Richtungen biegen lässt - nicht nur in eine - und sich mindestens auf die Hälfte seiner ursprünglichen Größe dehnen kann.

Im Rahmen der Studie demonstrierten die Forscher LED- und temperaturempfindliche spiralförmige E-Strips. Eine Kautschukschnur stützt die Struktur und hilft, Schäden durch Knicken zu verhindern, wobei auch die Verträglichkeit mit der Kleidung und ihre Waschbarkeit berücksichtigt wurden.

„Wir konnten das Potenzial einer neuen Form von dreidimensionalen spiralförmigen Streifen für eingebettete Elektronik in E-Textilien aufzeigen“, so Dr. Yang Wei, Experte für elektronische Textilien und Elektrotechnik an der Nottingham Trent University und Leiter der Forschungsarbeit.

Er betonte: „Wir haben das Design definiert, Prototypen entwickelt, mechanische Tests durchgeführt und die Funktionalität des Konzepts validiert. Dies eröffnet eine Reihe neuer Möglichkeiten für E-Textilien für den möglichen künftigen Einsatz im Gesundheitswesen und im Spitzensport.

Die Hauptautorin Jessica Stanley, Forschungsstipendiatin in der Medical Technologies Innovation Facility und in der Abteilung für Ingenieurwesen der Universität, sagte: „Die Grundidee gibt es schon seit Jahrhunderten; es ist das gleiche Konzept, als würde man einen Metalldraht nehmen und ihn dehnbar machen, indem man ihn zu einer Feder wickelt. Während Helices bereits in dehnbaren elektronischen Geräten verwendet werden, wurden sie bisher nur als Verbindungselemente - Drähte, die Teile eines Schaltkreises miteinander verbinden - oder als Einzelkomponenten eingesetzt.

„Das Besondere an unserer Arbeit ist, dass die Bänder der flexiblen Schaltkreise mit kleinen Komponenten, die komplexer sind als ein einzelner Draht oder ein gedrucktes Bauteil, zu einer Helix gewickelt werden, so dass sich der gesamte Schaltkreis dehnen kann.

„Da viele elektronischen Textilien dehnbar sein müssen, ist es wichtig, dehnbare elektronische Teile zu haben, die sich mit dem Stoff bewegen und dehnen können. Diese Studie dokumentiert unsere erste Arbeit an einem neuen Weg, dies zu erreichen.“

Die Technologie wurde patentiert, was voraussichtlich zu einer schnelleren Übernahme durch die Industrie führen wird.

Die Forschungsarbeit, an der auch der Industriepartner Kymira Ltd beteiligt war, finden Sie in der Zeitschrift Nature unter Scientific Reports.

Freezing, plötzliche Blockaden bei Bewegungsabläufen, ist eines der häufigsten und belastendsten Symptome der Parkinson-Krankheit, einer neurodegenerativen Erkrankung, von der weltweit mehr als 9 Millionen Menschen betroffen sind. Wenn Menschen mit Parkinson „einfrieren“, verlieren sie plötzlich die Fähigkeit, ihre Füße zu bewegen, oft mitten im Schritt, was zu einer Reihe von stakkatoartigen, stotternden Schritten führt, die immer kürzer werden, bis die Person schließlich ganz stehen bleibt. Diese Episoden sind eine der Hauptursachen für Stürze bei Menschen mit Parkinson.

Heutzutage wird Freezing mit einer Reihe von pharmakologischen, chirurgischen oder Verhaltenstherapien behandelt, von denen keine besonders wirksam ist. Was wäre, wenn es einen Weg gäbe, Freezing gänzlich zu verhindern?

Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) und des Boston University Sargent College of Health & Rehabilitation Sciences haben einen weichen, tragbaren Roboter eingesetzt, der einem Parkinson-Patienten hilft, ohne Freezing zu gehen. Das Roboterkleidungsstück, das um Hüfte und Oberschenkel getragen wird, gibt beim Schwingen des Beins einen sanften Druck auf die Hüfte und hilft dem Patienten, einen längeren Schritt zu machen.

Mit dem Hilfsmittel konnte das Freezing der Teilnehmer beim Gehen in geschlossenen Räumen vollständig beseitigt werden, so dass sie schneller und weiter gehen konnten als ohne die Hilfe des Kleidungsstückes.

„Wir stellten fest, dass schon eine geringe mechanische Unterstützung durch unsere weiche Roboterkleidung eine Sofortwirkung hatte und das Gehen der Versuchspersonen unter verschiedenen Bedingungen nachhaltig verbesserte“, so Conor Walsh, Paul A. Maeder Professor für Ingenieur- und angewandte Wissenschaften am SEAS und Mitautor der Studie.

Die Forschung zeigt das Potenzial der Soft-Robotik zur Behandlung dieses frustrierenden und potenziell gefährlichen Symptoms der Parkinson-Erkrankung auf und könnte es Menschen, die mit dieser Krankheit leben, ermöglichen, nicht nur ihre Mobilität, sondern auch ihre Unabhängigkeit wiederzuerlangen.

Seit über einem Jahrzehnt entwickelt das Biodesign Lab von Walsh am SEAS unterstützende und rehabilitative Robotertechnologien zur Verbesserung der Mobilität von Menschen nach einem Schlaganfall, mit ALS oder anderen Krankheiten, die die Mobilität beeinträchtigen. Ein Teil dieser Technologie, insbesondere ein Exosuit für das Gehtraining nach einem Schlaganfall, wurde vom Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, and Harvard’s Office of Technology Development unterstützt, und das Harvard’s Office of Technology Development  koordinierte eine Lizenzvereinbarung mit ReWalk Robotics zur Vermarktung der Technologie.

Im Jahr 2022 erhielten SEAS und Sargent College einen Zuschuss von der Massachusetts Technology Collaborative, um die Entwicklung und Umsetzung von Robotik und Wearable Technologies der nächsten Generation zu unterstützen. Die Forschung ist im Move Lab angesiedelt, dessen Aufgabe es ist, Fortschritte bei  der Verbesserung der menschlichen Leistungsfähigkeit zu unterstützen, indem es den Raum für die Zusammenarbeit, die Finanzierung, die F&E-Infrastruktur und die Erfahrung bereitstellt, die notwendig sind, um vielversprechende Forschung in ausgereifte Technologien zu verwandeln, die durch die Zusammenarbeit mit Industriepartnern umgesetzt werden können. Diese Forschung ist aus dieser Partnerschaft hervorgegangen.

„Der Einsatz weicher, tragbarer Roboter zur Verhinderung des Freezing beim Gangbild von Parkinson-Patienten erforderte eine Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren, Rehabilitationswissenschaftlern, Physiotherapeuten, Biomechanikern und Bekleidungsdesignern", so Walsh, dessen Team eng mit dem von Terry Ellis, Professor und Lehrstuhlinhaber für Physiotherapie sowie Leiter des Zentrums für Neurorehabilitation an der Universität Boston, zusammenarbeitete.

Das Team arbeitete sechs Monate lang mit einem 73-jährigen Mann, der an Parkinson erkrankt war und trotz chirurgischer und medikamentöser Behandlung mehr als zehnmal am Tag unter erheblichem und behinderndem Freezing litt, was immer wieder zu Stürzen führten. Diese Episoden hinderten ihn daran, sich in seiner Nachbarschaft zu bewegen, und zwangen ihn, sich draußen mit einem Elektromobil fortzubewegen.

In früheren Forschungsarbeiten wiesen Walsh und sein Team mithilfe der Human-in-the-Loop-Optimierung nach, dass ein weiches, am Körper zu tragendes Gerät die Hüftbeugung verstärken und den Schwung des Beins nach vorne unterstützen kann, um den Energieverbrauch beim Gehen bei gesunden Menschen effizient zu senken.

In diesem Fall verwendeten die Forscher den gleichen Ansatz, um das Freezing zu bekämpfen. Das tragbare Gerät verwendet kabelgesteuerte Aktoren und Sensoren, die um Taille und Oberschenkel getragen werden. Anhand der von den Sensoren erfassten Bewegungsdaten schätzen Algorithmen die Phase des Gangs und erzeugen im Zusammenspiel mit der Muskelbewegung Unterstützung.

Die Wirkung trat sofort ein. Ohne spezielles Training war der Patient in der Lage, ohne Freezing in geschlossenen Räumen und mit nur gelegentlichen Episoden im Freien zu gehen. Er war ebenfalls in der Lage, ohne Stocken zu gehen und zu sprechen, was ohne das Gerät kaum möglich war.

„Unser Team war sehr gespannt darauf, wie sich die Technologie auf das Gangbild der Teilnehmer auswirkt“, sagt Jinsoo Kim, ehemaliger Doktorand am SEAS und Mitautor der Studie.

Während der Studienbesuche erzählte der Teilnehmer den Forschern: „Der Anzug hilft mir, längere Schritte zu machen, wenn er nicht aktiv ist, merke ich, dass ich meine Füße viel mehr nachziehe. Er hat mir wirklich geholfen, und ich empfinde ihn als einen positiven Schritt nach vorn. Er könnte mich darin unterstützen, länger zu gehen und meine Lebensqualität zu erhalten."

„Unsere Studienteilnehmer, die freiwillig ihre Zeit opfern, sind echte Partner“, so Walsh. „Da die Mobilität schwierig ist, war es für diese Person eine echte Herausforderung, überhaupt ins Labor zu kommen, aber wir haben so sehr von ihrer Perspektive und ihrem Feedback profitiert.“

Das Gerät könnte auch eingesetzt werden, um die Mechanismen des Freezing besser zu verstehen, die nur unzureichend erforscht sind.

„Da wir das Freezing nicht wirklich verstehen, wissen wir nicht, warum dieser Ansatz so gut funktioniert“, so Ellis. Aber diese Arbeit deutet auf die potenziellen Vorteile einer "Bottom-up"-Lösung statt einer "Top-down"-Lösung zur Behandlung von Gangfehlern hin. Wir sehen, dass die Wiederherstellung einer fast normalen Biomechanik die periphere Dynamik des Gangs verändert und die zentrale Verarbeitung der Gangkontrolle beeinflussen kann.“

Das Team arbeitete sechs Monate lang mit einem 73-jährigen Mann, der an Parkinson erkrankt war und trotz chirurgischer und medikamentöser Behandlung mehr als zehnmal am Tag unter erheblichem und behinderndem Freezing litt, was immer wieder zu Stürzen führten. Diese Episoden hinderten ihn daran, sich in seiner Nachbarschaft zu bewegen, und zwangen ihn, sich draußen mit einem Elektromobil fortzubewegen.

In früheren Forschungsarbeiten wiesen Walsh und sein Team mithilfe der Human-in-the-Loop-Optimierung nach, dass ein weiches, am Körper zu tragendes Gerät die Hüftbeugung verstärken und den Schwung des Beins nach vorne unterstützen kann, um den Energieverbrauch beim Gehen bei gesunden Menschen effizient zu senken.

In diesem Fall verwendeten die Forscher den gleichen Ansatz, um das Freezing zu bekämpfen. Das tragbare Gerät verwendet kabelgesteuerte Aktoren und Sensoren, die um Taille und Oberschenkel getragen werden. Anhand der von den Sensoren erfassten Bewegungsdaten schätzen Algorithmen die Phase des Gangs und erzeugen im Zusammenspiel mit der Muskelbewegung Unterstützung.

Die Wirkung trat sofort ein. Ohne spezielles Training war der Patient in der Lage, ohne Freezing in geschlossenen Räumen und mit nur gelegentlichen Episoden im Freien zu gehen. Er war ebenfalls in der Lage, ohne Stocken zu gehen und zu sprechen, was ohne das Gerät kaum möglich war.

„Unser Team war sehr gespannt darauf, wie sich die Technologie auf das Gangbild der Teilnehmer auswirkt“, sagt Jinsoo Kim, ehemaliger Doktorand am SEAS und Mitautor der Studie.

Während der Studienbesuche erzählte der Teilnehmer den Forschern: „Der Anzug hilft mir, längere Schritte zu machen, wenn er nicht aktiv ist, merke ich, dass ich meine Füße viel mehr nachziehe. Er hat mir wirklich geholfen, und ich empfinde ihn als einen positiven Schritt nach vorn. Er könnte mich darin unterstützen, länger zu gehen und meine Lebensqualität zu erhalten."

„Unsere Studienteilnehmer, die freiwillig ihre Zeit opfern, sind echte Partner“, so Walsh. „Da die Mobilität schwierig ist, war es für diese Person eine echte Herausforderung, überhaupt ins Labor zu kommen, aber wir haben so sehr von ihrer Perspektive und ihrem Feedback profitiert.“

Das Gerät könnte auch eingesetzt werden, um die Mechanismen des Freezing besser zu verstehen, die nur unzureichend erforscht sind.

„Da wir das Freezing nicht wirklich verstehen, wissen wir nicht, warum dieser Ansatz so gut funktioniert“, so Ellis. Aber diese Arbeit deutet auf die potenziellen Vorteile einer "Bottom-up"-Lösung statt einer "Top-down"-Lösung zur Behandlung von Gangfehlern hin. Wir sehen, dass die Wiederherstellung einer fast normalen Biomechanik die periphere Dynamik des Gangs verändert und die zentrale Verarbeitung der Gangkontrolle beeinflussen kann.“

Die Studie wurde von Jinsoo Kim, Franchino Porciuncula, Hee Doo Yang, Nicholas Wendel, Teresa Baker und Andrew Chin mitverfasst. Asa Eckert-Erdheim und Dorothy Orzel trugen ebenfalls zur Entwicklung der Technologie bei, ebenso wie Ada Huang, Sarah Sullivan leitete die klinische Forschung. Das Projekt wurde von der National Science Foundation unter dem Zuschuss CMMI-1925085, von den National Institutes of Health unter dem Zuschuss NIH U01 TR002775 und von der Massachusetts Technology Collaborative, Collaborative Research and Development Matching Grant unterstützt.

Forscher an der Tufts-Universität nutzen Seidenproteine zur Herstellung von Handschuhen, die Viren erkennen, chirurgischen Schrauben, die sich im Körper auflösen, und anderen biomedizinischen Materialien der nächsten Generation

Etwa eine Meile nordwestlich des Tufts-Campus in Medford/Somerville befindet sich im vierten Stock einer umgebauten Wollfabrik ein Schrein für Seide. Glasvasen mit Seidenraupenkokons und gewaschenen Seidenfasern stehen kunstvoll auf einem Regal gegenüber einer bunten Zeichnung des Lebenszyklus von Bombyx mori, dem domestizierten Seidenspinner. Weiter innen grenzen weitere Kokons in Wandvitrinen an eine große Nahaufnahme von Seidenfasern, und auf Displays sind Dutzende von Prototypen aus Seide zu sehen, darunter intelligente Stoffe, Biosensoren, ein Helm, der bei einem Aufprall die Farbe wechselt, und potenzielle Ersatzstoffe für Materialien wie Leder, Kunststoff und Spanplatten.

Das Einzige, was fehlt, sind die Seidenraupen selbst, aber Fiorenzo Omenetto, der Direktor von Silklab und Frank C. Doble Professor of Engineering an der Tufts University, sagte, dass sie bald eintreffen werden. Das Labor baut ein Terrarium, in dem Besucher die Tiere besichtigen können.
„Wir werden ein Fest der Seidenraupen und Motten veranstalten“, so Omenetto.

Seide wird schon seit Tausenden von Jahren gezüchtet und geerntet. Am bekanntesten ist sie für den widerstandsfähigen, schimmernden Stoff, der aus ihren Fasern gewebt werden kann, aber sie wird auch seit langem in der Medizin zum Verbinden von Verletzungen und Nähen von Wunden verwendet. Im Silklab bauen Omenetto und seine Kollegen auf dem Erbe der Seide auf und beweisen, dass diese uralte Faser zur Entwicklung der nächsten Generation biomedizinischer Materialien beitragen könnte.
 
Die Raupen von Seidenspinnern, auch Seidenraupen genannt, stoßen einen einzigen klebrigen Seidenstrang aus ihrem Maul aus, um Cocons zu bilden, die von Seidenbauern zur Herstellung von Seidengarn geerntet werden. Im Kern besteht Seide aus einer Mischung von zwei Proteinen: Fi-Broin, das die Struktur der Faser bildet, und Sericin, das sie zusammenhält. Mit ein paar Handgriffen im Labor können Tufts-Forscher das Sericin entfernen und die Fasern auflösen, so dass sich ein trockener Kokon in eine mit Fibroin gefüllte Flüssigkeit verwandelt.

„Die Natur baut Strukturproteine, die sehr robust und sehr widerstandsfähig sind“, erläutert Omenetto. „Ihre Bausteine sind diese Fibroinproteine, die im Wasser schwimmen. Daraus kann man alles bauen, was man will.“

Beginnend mit Lieferungen getrockneter Kokons von Seidenfarmen konnten Omenetto und seine Kollegen Gele, Schwämme, klare, plastikähnliche Folien, bedruckbare Tinten, Feststoffe, die wie Bernstein aussehen, eintauchbare Beschichtungen und vieles mehr herstellen.

„Jedes der Materialien, die man herstellt, kann all diese verschiedenen Funktionen enthalten, und ein Tag hat nur 24 Stunden“, sagt Omenetto lachend. „Deshalb schlafe ich auch nicht.“

Biokompatibel und biologisch abbaubar
Als Omenetto vor fast zwei Jahrzehnten an die Tufts-Universität kam, konzentrierte sich seine Forschung auf Laser und Optik - Seide stand nicht auf dem Plan. Doch ein zufälliges Gespräch mit David Kaplan, dem Stern Family Professor of Engineering und Vorsitzenden der Abteilung Biomedizintechnik, brachte ihn auf einen neuen Weg.

Kaplan, der seit Anfang der 90er Jahre mit Seide arbeitet, entwarf ein Seidengerüst, das bei der Wiederherstellung der Hornhaut eines Menschen helfen sollte, indem es Zellen zwischen den Schichten wachsen ließ. Er brauchte eine Möglichkeit, um sicherzustellen, dass die wachsenden Zellen ausreichend mit Sauerstoff versorgt werden, und zeigte Omenetto das kleine, transparente Blatt, der sofort von dem Material fasziniert war. Omenetto konnte mit den Lasern seines Labors winzige Löcher in Kaplans Seidenhornhaut setzen. Schnell folgten weitere Kooperationen.
„Seitdem haben wir ununterbrochen zusammengearbeitet“, sagte Kaplan.

Eine dieser Forschungsrichtungen ist es, Wege zu finden, um Seide für die Reparatur und das Nachwachsen von Knochen, Blutgefäßen, Nerven und anderem Gewebe zu nutzen. Seide ist biokompatibel, d. h. sie schadet dem Körper nicht und lässt sich auf vorhersehbare Weise abbauen. Mit der richtigen Vorbereitung können Seidenmaterialien die notwendige Festigkeit und Struktur bieten, während der Körper heilt.

„Man kann die Seide so bearbeiten und formen, wie man sie braucht, und sie wird das erforderliche Format beibehalten, während das native Gewebe in die Lücke hineinwächst und das Seidenmaterial abgebaut wird“, sagte Kaplan. „Schließlich ist es zu 100 Prozent verschwunden, und man hat wieder sein normales Gewebe.“

Ein Teil dieser Arbeit wurde bereits von der US-amerikanischen Food and Drug Administration freigegeben. Ein Unternehmen namens Sofregen, das aus der Forschung von Kaplan und Omenetto hervorgegangen ist, verwendet ein injizierbares Gel auf Seidenbasis, um beschädigte Stimmbänder wieder zu reparieren, also das Gewebe, das den Luftstrom reguliert und uns beim Sprechen hilft.
Die stabilen Seidenstrukturen können ihre Größe, Form und Funktion über Jahre hinweg beibehalten, bevor sie sich abbauen. Aber in einigen Fällen, z. B. bei chirurgischen Schrauben und Platten, die für schnell wachsende Kinder bestimmt sind, wäre dieses Tempo zu langsam. Die Forscher mussten einen Weg finden, um die Zeit zu beschleunigen, in der sich dichtes Seiden-Biomaterial abbaut. Sie setzten der Seide ein körpereigenes Enzym zu, um den Abbauprozess zu beschleunigen. Die Idee ist, dass das Enzym trocken und inaktiv in der Seidenvorrichtung sitzt, bis die Struktur in einem Menschen eingesetzt wird, und dass dann die Vorrichtung hydratisiert und das Enzym aktiviert wird, um das Material schneller zu zersetzen.

„Wir können genau die richtige Menge an Enzymen zugeben, damit eine Schraube in einer Woche, einem Monat oder einem Jahr verschwindet“, so Kaplan. „Wir haben die volle Kontrolle über den Prozess.“
Gegenwärtig arbeiten Kaplan und sein Labor an anderen kleinen, abbaubaren medizinischen Geräten, die dazu beitragen würden, die Zahl der Operationen, die Patienten benötigen, zu verringern. So werden beispielsweise bei chronischen Ohrinfektionen häufig Ohrschläuche implantiert, die dann operativ entfernt werden müssen. Kaplan und seine Kollegen haben Ohrschläuche aus Seide entwickelt, die sich von selbst abbauen und sogar Antibiotika enthalten können.

„Als jemand, dessen Tochter sechs Operationen am Ohr hinter sich hat, weiß ich, wie hilfreich dies sein kann“, so Kaplan.

Stilvolle Sensoren zum Anziehen
Mit Sensoren, die am Körper getragen werden und Gesundheitsparameter messen, lassen wir Technik ganz nah an uns heran. Dass die medizinische Überwachung beispielsweise der Atemtätigkeit auch stilvoll als Shirt tragbar ist, zeigt eine Kooperation der Empa und der Designerin Laura Deschl, die von der Ostschweizer «Textile and Design Alliance» (TaDA) gefördert wird.
 
Der Wunsch nach einem gesunden Lebensstil hat in unserer Gesellschaft einen Trend zum «Self-Tracking» ausgelöst. Vitalwerte sollen jederzeit abrufbar sein, etwa um Trainingseffekte konsequent zu messen. Gleichzeitig ist bei der kontinuierlich wachsenden Bevölkerungsgruppe der über 65-Jährigen der Wunsch, bis ins hohe Alter leistungsfähig zu bleiben, stärker denn je. Präventive, gesundheitserhaltende Maßnahmen müssen hierbei kontrolliert werden, sollen sie das gewünschte Ergebnis erzielen. Die Suche nach Messsystemen, die entsprechende Gesundheitsparameter zuverlässig ermitteln, läuft auf Hochtouren. Neben dem Freizeitbereich benötigt die Medizin geeignete und verlässliche Messsysteme, die eine effiziente und wirksame Betreuung von immer mehr Menschen im Spital oder zuhause ermöglichen. Denn die Zunahme von Zivilisationskrankheiten wie Diabetes, Herz-Kreislaufproblemen oder Atemwegserkrankungen belastet das Gesundheitssystem.

Empa-Forschende um Simon Annaheim vom «Biomimetic Membranes and Textiles» Labor in St. Gallen entwickeln daher Sensoren für die Überwachung des Gesundheitszustandes, etwa für einen Diagnostik-Gurt, der auf flexiblen Sensoren mit elektrisch leitfähigen bzw. lichtleitenden Fasern basiert. Für die Akzeptanz einer kontinuierlichen medizinischen Überwachung bei den Patientinnen und Patienten können aber ganz andere, weniger technisch geprägte Eigenschaften entscheidend sein: So müssen die Sensoren angenehm zu tragen und einfach zu handhaben sein – und im Idealfall auch noch gut aussehen.
    
Diesen Aspekt greift ein Kooperationsprojekt zwischen der «Textile and Design Alliance», kurz TaDA, in der Ostschweiz und der Empa auf. Hierbei wurden Möglichkeiten aufgezeigt, wie textile Sensoren in Kleidungsstücke integriert werden können. Dabei stand neben der technischen Zuverlässigkeit und einem hohen Tragekomfort auch das Design der Kleidungsstücke im Zentrum. Die interdisziplinäre TaDA-Designerin Laura Deschl arbeitete elektrisch leitfähige Fasern in ein Shirt ein, die ihren Widerstand je nach Dehnung verändern. Damit kann das Shirt überwachen, wie stark sich Brustkorb und Bauch der Probanden beim Atmen heben und senken, was Rückschlüsse auf die Atemaktivität erlaubt. Eine kontinuierliche Überwachung der Atemtätigkeit ist speziell bei Patientinnen und Patienten während der Aufwachphase nach einer Operation sowie bei Patientinnen, die mit Schmerzmitteln behandelt werden, von Interesse. Auch für Patientinnen mit Atemproblemen wie Schlafapnoe oder Asthma könnte ein solches Shirt hilfreich sein. Zusätzlich stickte Deschl elektrisch leitfähige Fasern der Empa ins Shirt ein, die für die Verbindung zum Messgerät benötigt werden und die optisch in das Muster des Shirts integriert wurden.
 
Die «Textile and Design Alliance» ist ein Pilotprogramm der Kulturförderung der Kantone Appenzell Ausserrhoden, St. Gallen und Thurgau, um die Zusammenarbeit zwischen Kulturschaffenden aus aller Welt und der Textilindustrie zu fördern. Über internationale Ausschreibungen werden Kulturschaffende aller Sparten zu einem dreimonatigen Arbeitsaufenthalt in der Ostschweizer Textilwirtschaft eingeladen.
Das TaDA-Netzwerk umfasst 13 Kooperationspartner – Textilunternehmen, Kultur-, Forschungs- und Bildungsinstitutionen – und bietet den Kulturschaffenden dadurch direkten Zugang zu hochspezialisiertem Know-how und technischen Produktionsmitteln, um vor Ort an ihren textilen Projekten arbeiten, forschen und experimentieren. Diese künstlerische Kreativität wird den Partnern wiederum im Austausch als innovatives Potenzial zugänglich gemacht.

Während der Projektphase wurde Laura Deschl von Schoeller Textil AG (Rohware), Lobra (Transferdruck) und dem Saurer Museum (leitfähige Stickerei) bei der Realisierung des Prototyps unterstützt. Zudem erhielt sie fachliche Begleitung bezüglich der Druckqualität durch Martin Leuthold. Ideen für eine Weiterführung des Projekts sind bereits vorhanden; sie zielen auf eine smarte Patientenbekleidung ab, die die wichtigsten physiologischen Parameter ohne zusätzliche Sensorik erfassen und messen kann.

Mit einem Verband, der Medikamente freisetzt, sobald eine Infektion in einer Wunde beginnt, ließen sich Verletzungen effizienter behandeln. Empa-Forschende arbeiten derzeit an Polymerfasern, die weich werden, sobald sich die Umgebung aufgrund einer Infektion erwärmt, und dadurch ein keimtötendes Mittel abgeben.

Ob eine Wunde unter dem Verband problemlos verheilt oder Bakterien in das verletzte Gewebe eindringen und eine Entzündung entfachen, lässt sich von außen nicht erkennen. Sicherheitshalber werden also desinfizierende Salben oder Antibiotika auf der Wunde verteilt, bevor ein Verband angelegt wird. Diese vorbeugenden Maßnahmen sind aber nicht in jedem Fall notwendig. So werden Medikamente verschwendet und Wunden «übertherapiert».

Schlimmer noch: Der verschwenderische Umgang mit Antibiotika fördert die Entstehung von multiresistenten Keimen, die ein immenses Problem der globalen Gesundheitsversorgung darstellen. Empa-Forschende der beiden Empa-Labore «Biointerfaces» und «Biomimetic Membranes and Textiles» in St. Gallen wollen dies ändern. Sie entwickeln einen Verband, der selbstständig nur dann antibakterielle Medikamente verabreicht, wenn sie auch wirklich benötigt werden.

Die Idee des interdisziplinären Teams um Qun Ren und Fei Pan: Der Verband sollte mit Medikamenten «beladen» sein und zudem auf Umweltreize reagieren. «Auf diese Weise könnten Wunden präzise und im richtigen Moment behandelt werden», erklärt Fei Pan. Als Umweltreiz suchte sich das Team einen bestens bekannten Effekt aus: den Temperaturanstieg in einer infizierten, entzündeten Wunde.

Nun hiess es für das Team, ein Material zu designen, das auf diesen Temperaturanstieg passend reagieren würde. Hierzu wurde ein hautverträglicher Polymer-Verbundstoff aus mehreren Komponenten entwickelt: Acrylglas (Polymethylmethacrylat, kurz PMMA), das beispielsweise für Brillengläser und in der Textilindustrie verwendet wird, und Eudragit, ein bioverträgliches Polymergemisch, mit dem beispielsweise Tabletten überzogen werden. Mittels Elektrospinnen liess sich das Kunststoffgemisch zu einer feinen Membran aus Nanofasern verarbeiten. Als medizinisch wirksame Komponente konnte schliesslich Octenidin in die Nanofasern eingekapselt werden. Octenidin ist ein Desinfektionsmittel, das schnell gegen Bakterien, Pilze und manche Viren wirkt. In der Medizin kann es auf der Haut, auf Schleimhäuten und zur Wunddesinfektion verwendet werden.

Entzündungszeichen als Trigger
Bereits in der Antike beschrieb der griechische Arzt Galen die Anzeichen einer Entzündung. Noch heute besitzen die fünf lateinischen Fachbegriffe ihre Gültigkeit: Dolor (Schmerz), Calor (Erwärmung), Rubor (Rötung), Tumor (Schwellung) und Functio laesa (eingeschränkte Funktion) stehen für die klassischen Hinweise auf eine Entzündung. Bei einer infizierten Hautwunde kann die lokale Erwärmung bis zu fünf Grad ausmachen. Dieser Temperaturunterschied lässt sich als Trigger nutzen: Geeignete Materialien verändern in diesem Bereich ihre Konsistenz und können therapeutische Substanzen freisetzen.

Zersplitternder Handschuh
«Damit die Membran als "smarter Verband" wirkt und das Desinfektionsmittel auch tatsächlich freisetzt, wenn sich die Wunde aufgrund einer Infektion erwärmt, haben wir das Polymergemisch aus PMMA und Eudragit so zusammengestellt, dass wir die Glasübergangstemperatur passend einstellen konnten», sagt Empa-Forscher Fei Pan. Dabei handelt es sich um die Temperatur, bei der ein Kunststoff von einer festen Konsistenz in einen gummig-zähen Zustand wechselt. Bildlich beschrieben wird der Effekt gerne in umgekehrter Weise: Legt man einen Gummihandschuh in flüssigen Stickstoff bei minus 196 Grad, ändert er seine Konsistenz und wird so hart, dass man ihn mit einem Schlag wie Glas zersplittern lassen kann.

Die gewünschte Glasübergangstemperatur der Polymermembran hingegen lag im Bereich von 37 Grad. Wenn eine Entzündung vorliegt und sich die Haut über ihre normale Temperatur von 32 bis 34 Grad hinaus erwärmt, wechselt das Polymer von seinem festen in einen weicheren Zustand. In Laborexperimenten konnte das Team beobachten, wie das Desinfektionsmittel bei 37 Grad aus dem Polymer freigesetzt wird, nicht jedoch bei 32 Grad. Ein weiterer Vorteil: Der Prozess ist reversibel und kann bis zu fünf Mal wiederholt werden, da sich der Vorgang bei Abkühlung immer wieder von selbst «abschaltet». Nach diesen erfolgreichen Tests möchten die Empa-Forschenden nun das Feintuning des Effekts angehen. Statt eines Temperaturbereichs von vier bis fünf Grad soll der smarte Verband sich dann bereits bei kleineren Temperaturunterschieden an- und abschalten.

Smart und schonungslos
Um die Wirksamkeit der Nanofaser-Membranen gegenüber Wundkeimen zu untersuchen, stehen nun weitere Laborexperimente an. Teamleiterin Qun Ren befasst sich seit Langem mit Keimen, die sich in den Grenzschichten zwischen Oberflächen und der Umwelt einnisten, wie etwa auf einer Hautwunde. «In diesem biologischen Setting, einer Art Niemandsland zwischen Körper und Verbandsmaterial, finden Bakterien eine perfekte biologische Nische», so die Empa-Forscherin. Infektionserreger wie Staphylokokken oder Pseudomonas-Bakterien können hier schwere Wundheilungsstörungen verursachen. Genau diese Wundkeime liess das Team in der Petrischale Bekanntschaft mit dem smarten Verband machen. Und tatsächlich: Die Zahl der Bakterien verringerte sich um den Faktor 1000, wenn Octenidin aus dem smarten Verband freigesetzt wurde. «Mit Octenidin ist uns ein "Proof of Principle" für die kontrollierte Medikamentenfreisetzung durch einen externen Reiz gelungen», so Qun Ren. Künftig lasse sich die Technologie auch für andere Arten von Medikamenten einsetzen, wodurch die Effizienz und Präzision bei deren Dosierung gesteigert werden könnte.

Der smarte Verband
In interdisziplinären Teams arbeiten Empa-Forschende an verschiedenen Ansätzen zur Verbesserung der medizinischen Wundbehandlung. Beispielsweise sollen flüssige Sensoren durch Farbumschlag an der Aussenseite des Verbands sichtbar machen, wenn eine Wunde schlecht verheilt. Als Biomarker dienen hierbei kritische Glukose- und pH-Werte.

Damit bakterielle Infektionen direkt in der Wunde bekämpft werden können, arbeiten die Forschenden zudem an einem Polymerschaum, der mit entzündungshemmenden Substanzen beladen ist und an einer hautfreundlichen Membran aus Pflanzenmaterial. Die Cellulose-Membran ist mit antimikrobiellen Eiweissbausteinen ausgestattet und tötet in Labortests Bakterien äusserst effizient ab.

Zudem kann die Digitalisierung bei der Wundversorgung sparsamere und effizientere Dosierungen erreichen: Empa-Forschende entwickeln digitale Zwillinge der Haut, die die Steuerung und Vorhersage des Therapieverlaufs mittels Modellierung in Echtzeit erlauben.

Informationen
Prof. Dr. Katharina Maniura
Biointerfaces  
Tel. +41 58 765 74 47
Katharina.Maniura@empa.ch

Prof. Dr. René Rossi
Biomimetic Membranes and Textiles
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