3D-gedrucktes neuronales Implantat kombiniert Hirnüberwachung und gezielte Kühlung

Ein multimodaler Ansatz gegen fokale Epilepsie

Patienten mit fokaler Epilepsie leiden häufig unter Anfällen, die in einer bestimmten Hirnregion ihren Ursprung haben und auf herkömmliche medikamentöse Therapien nicht wirksam ansprechen. Um dieser klinischen Herausforderung zu begegnen, haben Forscher des Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden (IPF) und des Else Kröner Fresenius Zentrums für Digitale Gesundheit an der TU Dresden gemeinsam mit Ingenieuren der University of Sheffield eine multifunktionale therapeutische Plattform entwickelt, wie MedicalXpress berichtet.

Die Gruppe stellte ein Designkonzept vor, das die direkte Fertigung neuronaler Schnittstellen ermöglicht, die zwei verschiedene Aufgaben gleichzeitig erfüllen können: das Erkennen pathologischer elektrischer Aktivität und das Bereitstellen einer fokalen Hirnkühlung zu deren Unterdrückung. Herkömmliche Ansätze zur Hirnkühlung erfordern oft sperrige, zusammengesetzte Bauteile, die das Risiko von Gewebeschäden bergen. Das neue Verfahren stützt sich dagegen auf fortschrittlichen 3D-Druck, um die Produktion in einer kompakten, einheitlichen Form zusammenzuführen.

Integration von Fluidik und Elektronik mittels additiver Fertigung

Das Ingenieurteam konstruierte laut MedicalXpress ein miniaturisiertes Implantat, indem es weiche Silikonstrukturen, integrierte mikrofluidische Kanäle und elektronische Komponenten kombinierte. Die Architektur basiert auf 3D-gedruckten Verbundelektroden, die für die Elektrokortikographie maßgeschneidert sind – ein als ECoG bekanntes Diagnoseverfahren, das elektrische Potenziale direkt von der Großhirnrinde ableitet.

Neben der passiven Sonde umfasst das System eine Steuereinheit, die autonom arbeitet. Diese Einheit steuert sowohl die Echtzeitaufzeichnung der Hirnsignale als auch das dynamische Einleiten der lokalisierten Kühlung. Durch den Einsatz additiver Fertigungsverfahren zum Auftragen von Materialien in komplexen Geometrien verringert der Prozess die Fertigungszeit, das Volumen der Vorrichtung und die physische Komplexität im Vergleich zu früheren Prototypen erheblich.

Laborprüfungen und Anfallsunterdrückung in vivo

Vor biologischen Tests validierte das Team um Erstautor Spencer Ryan Moore die Kühlmechanismen anhand von agarbasierten Gewebemodellen und Finite-Elemente-Computersimulationen. Diese Laborversuche bestätigten, dass die Fluidkanäle schnelle, stabile und streng lokalisierte Temperaturabfälle ermöglichen, ohne dass es zu unerwünschter thermischer Diffusion in benachbarte Bereiche kommt, so der Bericht von MedicalXpress.

Anschließend testete das Team den funktionsfähigen Prototyp an einem Nagetiermodell für Epilepsie. Die 3D-gedruckten Verbundelektroden lieferten Elektrokortikographie-Aufzeichnungen, deren Signalgenauigkeit mit der kommerzieller medizinischer Überwachungssysteme übereinstimmt. Entscheidend war, dass die Aktivierung des fokalen Kühlkanals experimentell induzierte anfallsartige Ereignisse bei den Versuchstieren erfolgreich unterdrückte.

Weg zur klinischen Translation

Obwohl in der veröffentlichten Studie keine konkrete Patentanmeldung genannt wird, dient das Fertigungskonzept als Grundlage geistigen Eigentums für kompakte, multifunktionale bioelektronische Geräte. Indem die Arbeit nachweist, dass mikrofluidische Kühlkanäle und Messelektroden innerhalb eines einzigen weichen Substrats gedruckt werden können, ebnet die Forschung einen gangbaren Weg zu maßgeschneiderten medizinischen Implantaten.

Künftige Forschungsarbeiten sollen sich auf die Skalierung der Technologie und die Optimierung der langfristigen Biokompatibilität konzentrieren. Die Wissenschaftler streben an, dieses Herstellungsverfahren in praxisnahe Lösungen für Medizinprodukte für klinische Studien am Menschen zu überführen, um Betroffenen mit therapieresistenten neurologischen Erkrankungen neue Hoffnung zu geben.

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