Kontaktlinsen mit eingebautem Augeninnendruckmesser

Die einzige Methode, die Patienten mit grünem Star derzeit zur Verfügung steht, um über den Stand ihrer Glaukomerkrankung auf dem Laufenden zu bleiben, ist der regelmäßige Besuch beim Augenarzt. Dort lassen sich verschiedene Tests vornehmen, um den Hauptrisikofaktor abzuklären – ein erhöhter Augeninnendruck. Gegebenenfalls wird dann mit Medikamenten reagiert. Dennoch begeben sich die meisten Patienten nur ein oder zwei Mal im Jahr zum Arzt. Geräte, mit denen sich von zuhause aus feststellen lässt, ob der Druck auch zwischen den Praxisbesuchen zunimmt, existieren bislang nicht. Forscher an der University of California in Davis haben nun den Prototypen eines Messinstruments entwickelt, das das ändern soll. Ihr klitzekleiner Drucksensor sitzt direkt in einer vom Patienten getragenen Kontaktlinse.

Zur Herstellung wird ein elektronischer Schaltkreis in ein weiches Polymermaterial integriert. Der Erfinder des Verfahrens, Tingrui Pan von der Fakultät für biomedizinische Ingenieurwissenschaften, glaubt, dass sich die Technik sogar in Wegwerf-Kontaktlinsen einsetzen lassen wird. Einer ständigen Überwachung des Augeninnendrucks stünde damit nichts mehr im Weg.

Bei grünem Star wird der Abfluss der Flüssigkeit, die normalerweise Nährstoffe zum Auge bringt und Stoffwechselabfallprodukte gleichzeitig entsorgt, blockiert. Der dabei entstehende höhere Druck im Auge wirkt sich dann auf die Netzhaut aus, was wiederum zu Einschränkungen und Beschädigungen des Sehnervs führen kann. Der Patient verliert mehr und mehr an Sehkraft. Augenärzte bekämpfen die Krankheit, in dem sie den Augeninnendruck messen und gegebenenfalls Wirkstoffe verschreiben, die ihn senken.

"Das ist eine ganz andere Situation als bei Herzkrankheiten oder Diabetes, wo Patienten Geräte über einen längeren Zeitraum tragen können, die ihre Herzfrequenz oder ihren Blutzucker den ganzen Tag über messen, um festzustellen, was bei ihnen passiert", sagt James Brandt, Professor für Augenheilkunde, der mit Pan zusammenarbeitet. "Bei grünem Star gibt es so etwas nicht. Das frustriert in der klinischen Praxis enorm."

Pan und sein Team stellten ihren Kontaktlinsen-Prototypen aus PDMS her, einem organischen Polymer, das schon jetzt für Kontaktlinsen und andere biokompatible Produkte wie Brustimplantate verwendet wird. "Dieses Material wird häufig eingesetzt, weil man leicht mit ihm arbeiten kann und es sich wie Haut verbiegen lässt", sagt der Forscher. Das Problem sei nur gewesen, dass es standardmäßig nicht leitfähig ist – und damit für Sensoren ungeeignet.

Weil es schwierig ist, leitendes Material auf einer Polymer-Oberfläche zu befestigen, untersuchte Pan andere Methoden, Metall in den Kunststoff zu integrieren. Dazu machte er es zunächst für ultraviolettes Licht empfindlich, in dem er eine Chemikalie beimischte. Wird das Polymer dann mit UV-Licht bestrahlt, härtet es aus und bildet eine weiche, gummiartige Schicht. Ohne UV-Licht bleibt es hingegen verflüssigt.

Dann schuf das Forscherteam ein Schnittmuster eines kleinen Sensorschaltkreises und strahlte UV-Licht auf die Polymer-Mischung. Bereiche, die vom Licht erfasst wurden, wurden fest, während die anderen Bereiche flüssig blieben. Der flüssige Bereich ließ sich dann leicht wegwaschen. Übrig blieb der Abdruck eines kleinen Schaltkreises im Nanomaßstab innerhalb des festen Polymers.

Dieses Muster wurde dann mit einer Lösung aus Silberpulver befüllt, einem ungiftigen metallischen Leiter. Nach der Polymerisation bildete das Silber einen Schaltkreis innerhalb des weichen Polymers. In ersten Labortests fand das Team heraus, dass die Spannung innerhalb des Schaltkreises sich leicht veränderte, wenn das Polymer verbogen wurde. Diese Veränderung bildet ein gutes Indiz für den Augeninnendruck. Nimmt der Druck im Auge zu, wird die Form der Kontaktlinse verzerrt, was wiederum die Spannung in den Drähten verändert, heißt es in Pans Studie.

"Dieses Gerät ist ein echter Durchbruch bei der Messung des Augeninnendrucks", meint David Calkins, Augenheilkundler am Vanderbilt University Medical Center, der die Arbeit kennt. "Uns fehlt derzeit eine Methode, den Druck außerhalb der Klinik in Echtzeit zu messen." Veränderungen ließen sich deshalb oft nicht schnell genug erkennen.

Bevor aus Pans Prototyp eine Handelsware werden kann, muss allerdings noch einiges passieren: So ist das verwendete Silberpulver nicht durchsichtig, so dass es sich nicht für Kontaktlinsen eignet. Pan glaubt aber, dass diese Variante sich schon jetzt für kürzere Tests im Klinikkontext eignen würde. Er sucht derzeit aber nach Materialien, mit denen sich durchsichtige Schaltkreise herstellen lassen, die sich dann für einen Dauerbetrieb eignen.

Problematisch ist auch noch die Stromversorgung. Das ideale Modell der Glaukom-Kontaktlinse würde aus dem Drucksensor und einem RFID-Tag bestehen, das die Informationen drahtlos an einen Rechner senden kann. Dazu benötigt würde auch eine kleine Batterie. "Die Stromversorgung und das Auslesen sind dabei keine triviale Aufgabe", sagt Pans Forschungskollege Brandt. (bsc)