Seegurke inspiriert Gehirnimplantat

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Forscher an der Case Western University haben ein Biopolymer entwickelt, das schnell zwischen einem starren und flexiblen Zustand wechseln kann – inspiriert von der so genannten Seegurke. Das neue Material wird weich, wenn sich ein wasserbasiertes Lösungsmittel in der Nähe befindet und sofort wieder steif, sobald das Lösungsmittel verdunstet oder verdampft ist. Christoph Weder, Forschungsleiter und Professor für Makromolekularwissenschaften, glaubt, dass ein solches Material sich beispielsweise für implantierbare Elektroden eignen könnte, mit denen Hirnaktivitäten über einen langen Zeitraum aufgezeichnet werden – und zwar mit sehr geringer Vernarbung des Gewebes im Vergleich zu konventionellen Komponenten.

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Hirnimplantaten, die etwa gelähmten Patienten helfen können, ist stets das Material der Elektroden – gewöhnlich handelt es sich um Metall. Ein solch sprödes und steifes Material kann jedoch mit der Zeit zu Gewebeschäden führen. In der Tat erfolgt nicht nur in Einzelfällen bereits nach wenigen Monaten eine derart große Reibung zwischen dem harten Äußeren der Elektrode und dem weichen Hirnmaterial, dass sich Narbengewebe bildet, und die Aufzeichnungsfähigkeit der Elektroden stark reduziert. "Wir brauchen eine neue Generation Elektroden, die anders sind als die alten aus Metall. Die jetzigen Varianten sorgen nach einer Weile für diverse Schäden im Gewebe und funktionieren dann einfach nicht mehr", meint MIT-Institutsprofessor Emilio Bizzi.

Um das Problem zu überwinden, suchten Weder und sein Team nach biokompatiblen Materialien, die von einem festen in einen flexiblen Zustand wechseln können. Das ideale Modell war dabei die erwähnte Seegurke. Wenn diese sich über den Meeresboden bewegt, sorgt ihre biegsame Struktur dafür, dass sie sich problemlos über Löcher und Spalten hinwegheben kann. Spürt das Lebewesen Gefahr, bildet es sofort einen steifen Panzer, der Angreifer abwehren soll. Forscher fanden heraus, dass die Haut der Seegurke aus einem ultrafeinen Netzwerk aus Zellulosefasern besteht, den so genannten Barthaaren. Im Abwehrmodus geben die umgebenden Zellen Moleküle ab, die dafür sorgen, dass die Barthaare sich plötzlich aneinander binden – es entsteht ein starrer Schild. Im sich wieder lockernden Zustand geben andere Zellen hingegen Weichmacher-Proteine ab, die die Fasern weich und die Haut biegsam machen.

Weders Team isolierte nun Zellulose-Fasern vom "Umhang" der Manteltiere – Meeresbewohner, die eine ähnliche Haut wie die Seegurke besitzen. Dann kombinierten sie diese Fasern mit einer gummiartigen Polymer-Mischung. Die Fasern bildeten so eine einheitliche Matrix, bei der das weichere Polymer-Material automatisch verstärkt wurde. Überschneidungspunkte halten das sich ergebende Netzwerk aus beiden Materialien zusammen, sodass eine starre Schicht entsteht. "Es ist wie ein dreidimensionales Netz, bei dem sich diese Nanofasern an bestimmten Punkten überlagern. Wo das passiert, kleben sie aneinander", sagt Weder.

Zellulose-Fasern sind besonders gut geeignet, sich aneinander zu binden, weil sie viele Hydroxylgruppen an ihrer Oberfläche besitzen. Ist kein Wasserstoff enthaltendes Molekül in der Nähe, bleiben diese Hydoxylgruppen beieinander und bilden ein faserförmiges Netz. Um die Bindungen aufzubrechen und das Netz zu lockern, injizierten Weder und sein Team dann wasserbasierte Lösungen in das Material, in dem die erwähnten Wasserstoff-Gruppen steckten. Daraufhin entkoppelten die Fasern sich – der Chemie sei dank. Im Umkehrschluss sorgte das Verdunsten des Wassers aus der Mischung dafür, dass die Fasern sich wieder verbanden und neuerlich hart wurden.

"In diesem Zustand ist das Material ein harter, starrer Kunststoff wie eine CD-Hülle", sagt Weder. Ist der Stoff hingegen weich, erinnere es eher an Gummi. Würde man das Material zur Herstellung von Elektroden verwenden, könnten diese so gebaut werden, dass sie auf die Flüssigkeit im Hirn reagieren – und weicher werden, wenn sie mit Nervengewebe in Kontakt kommen.