Gehirnimplantat aus dem 3D-Drucker

Die Verbindung des menschlichen Gehirns mit einem Computer ist normalerweise nur in der Science-Fiction zu sehen. Ein internationales Forschungsteam um Freigeist-Fellow Prof. Dr. Ivan Minev hat jetzt die Möglichkeiten des 3D-Drucks genutzt, um die Technologie einen Schritt näher an die Realität heranzuführen.

Freigeist-Fellow Dr. Ivan Minev.
Freigeist-Fellow Dr. Ivan Minev. (Foto: Martin Bühler für VolkswagenStiftung)

Freigeist-Fellow Ivan Minev erforscht in seinem Projekt "Electronic tissue technology for spinal cord repair" bioelektronische Implantate, die der Reparatur von beschädigtem Gewebe dienen sollen - etwa bei verletzten Organen oder Nerven. Mit einer Forschungsgruppe, an der auch Wissenschaftler der St. Petersburg State University in Russland beteiligt waren, entwarf Minev nun einen Prototyp eines neuronalen Implantats, das zur Entwicklung von Behandlungsmethoden bei Schädigungen des Nervensystems eingesetzt werden könnte. 

Das Nervenimplantat diente der Stimulation des Rückenmarks von Tiermodellen mit Rückenmarksverletzungen und könnte nun zur Entwicklung neuer Behandlungsmethoden für menschliche Patienten mit Lähmungen eingesetzt werden. Die jetzt im Magazin Nature Biomedical Engineering veröffentlichte Studie zeigt, dass die Methode sich auch gut an der Oberfläche des Gehirns, an peripheren Nerven und Muskeln einsetzen lässt und somit auch Möglichkeiten bei anderen neurologischen Erkrankungen eröffnet.

Pinzette hält 3D-Implantat.
Nervenimplantat aus dem 3D-Drucker. (Foto: Afanasenkau/Minev-TU Dresden)

Das menschliche Gehirn über eine neuronale Schnittstelle mit einem Computer zu verbinden, ist ein Ziel vieler Forschenden in Wissenschaft, Technik und Medizin. Innovationen auf diesem Gebiet werden jedoch durch enorme Kosten und lange Entwicklungszeiten für die Herstellung von Prototypen behindert, die für die Erforschung neuer Behandlungsmethoden benötigt werden.

Die neue Technologie verspricht ein großes Potenzial für neuartige medizinische Behandlungen von Verletzungen des Nervensystems und basiert auf einer Fusion von Biologie und Elektronik. Die Vision: Implantate sollen kleinste elektrische Impulse in Gehirn und Nervensystem wahrnehmen - oder dorthin liefern.

Implantate aus dem Drucker können leicht angepasst werden

Das Team um Minev konnte zeigen, dass Prototypen von Implantaten mit Hilfe von 3D-Druck schneller und kostengünstiger hergestellt werden können, was Forschung und Entwicklung in diesem Bereich beschleunigt. Die Implantate können so zudem leicht an bestimmte Bereiche oder für spezifische Probleme innerhalb des Nervensystems angepasst werden. Mit der neuen Technik kann ein Neurowissenschaftler einen Entwurf in Auftrag geben, aus dem das Ingenieurteam ein Computermodell erstellt, das die Anweisungen an den Drucker weiterleitet. Der Drucker trägt dann eine Palette biokompatibler, mechanisch weicher Materialien auf, um den Entwurf zu realisieren.  

Die Forschenden haben gezeigt, dass 3D-Drucker Implantate herstellen können, die mit Gehirn und Nerven kommunizieren können. Im Anschluss an diese frühen Arbeiten will das Team untersuchen, wie robust die Implantate sind, wenn sie über lange Zeiträume implantiert werden. Das langfristige Ziel sind jedoch klinische Anwendungen, die Neurochirurgen die Möglichkeiten dieser personalisierten Medizin eröffnen würden.

Ivan Minev ist Alumnus des Biotechnologischen Zentrums (BIOTEC) an der TU Dresden. Seit 2019 forscht er als Professor for Intelligent Healthcare Technologies am Department of Automatic Control and Systems Engineering, Universität Sheffield. Minev erklärt: "Die Forschung, die wir an der TU Dresden begonnen haben und hier in Sheffield fortführen, hat gezeigt, wie der 3D-Druck genutzt werden kann, um Prototypen von Implantaten mit einer Geschwindigkeit und zu Kosten herzustellen, wie es bisher nicht möglich war, und das alles unter Beibehaltung der Standards, die für die Entwicklung eines nützlichen Geräts erforderlich sind. Die Leistungsfähigkeit des 3D-Drucks bedeutet, dass die Prototyp-Implantate schnell geändert und bei Bedarf wieder reproduziert werden können, um die Forschung und Innovation im Bereich der neuronalen Schnittstellen voranzutreiben". Das eröffnet auch neue Möglichkeiten für die klinische Praxis: "Die Patienten haben unterschiedliche anatomische Gegebenheiten, und das Implantat muss an diese und ihre besonderen klinischen Bedürfnisse angepasst werden. Vielleicht wird das Implantat in Zukunft direkt im Operationssaal bedruckt werden, während der Patient auf die Operation vorbereitet wird", so Minev weiter.

Pressemitteilung der TU Dresden: "Ingenieure verbinden Gehirne mit Computern über gedruckte 3D-Implantate"

Publikation

Nature Biomedical Engineering: "Rapid prototyping of soft bioelectronic implants for use as neuromuscular interfaces", Autoren: Dzmitry Afanasenkau, Daria Kalinina, Vsevolod Lyakhovetskii, Christoph Tondera, Oleg Gorsky, Seyyed Moosavi, Natalia Pavlova, Natalia Merkulyeva,, Allan V. Kalueff, Ivan R. Minev, Pavel Musienko; doi: https://doi.org/10.1038/s41551-020-00615-7

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