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Medizin

Künstliche Haut soll Prothesen Tastgefühl vermitteln

Freitag, 16. Oktober 2015

Das Gerät mit der "goldenen Fingerspitze" hat einen hautähnliche Sensor, den Stanford-Ingenieure entwickelt haben

Stanford – Arm- und Beinprothesen können heute mit kleinen Elektromotoren auch nuancierte Bewegungen durchführen, sie haben aber kein Gefühl. Ein Forscherteam aus Kalifornien will dies ändern. In Science (2015; 350: 313-316) stellen die Forscher einen von der Haut inspirierten mechanischen Sensor vor, der Berührungen druckabhängig in elektrische Signale verwandelt, die dann in einer zweiten Innovation ihre Information an die Hirnneuronen von Mäusen weiter leiteten.

Die Versuch, die Haut durch ein künstliches Material zu ersetzen, zeigt, wie komplex die Hülle des menschlichen Körpers aufgebaut ist. Schon die hohe Dehnbarkeit lässt sich nur schwer kopieren. Dann ist die Haut noch durchsetzt von einer Reihe von Schmerz- und Berührungssensoren, die abgestuft Informationen an das Nervensystem leiten.

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Die Chemie-Ingenieurin Zhenan Bao von der Stanford Universität arbeitet seit mehr als zehn Jahren an Sensoren, die eine (von vielen) Funktion der Haut ersetzen soll, die Menschen mit Amputationen nützlich sein könnte: Dies ist die Berührungsempfindlichkeit, die vor allem im Bereich der Finger, die Handhabung der Prothese erleichtern könnte.

Das jetzt von Bao vorgestellte „Digital Tactile System“ besteht aus kleinen Gummi-Kissen, die mit elektrisch leitenden Nanotubuli beschichtet sind. Im Normalzustand sind die Kissen elektrisch nicht leitfähig, da Gummi ein Isolator ist. Dies ändert sich, wenn von außen Druck auf die Kissen ausgeübt wird. Dann nähern sich die einzelnen Nanotubuli und es kann ein Strom fließen.

Die Stärke des Stroms ist abhängig von der Stärke des Drucks, denn mit zunehmender Kompression des kleinen Gummikissens kommen immer mehr Nanotubuli in Kontakt zueinander. Durch eine besondere Formgebung – einer auf dem Kopf stehenden Pyramide – konnte Bao die Druckempfindlichkeit der Kissen weiter verbessern. Sie sind jetzt in der Lage, zwischen einem festen Händedruck und einer leichten Berührung zu unterscheiden. Da die Kissen flexibel sind, könnten sie in einen elastischen Handschuh eingebaut werden, der über eine Prothese gestreift werden könnte.

Unter jedem Kissen befindet sich ein Ringoszillator, der die Information in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses Signal könnte beispielsweise genutzt werden, um sensorische Nerven im Stumpf zu reizen. Man könnte es aber auch nutzen, um direkt Nerven im somatosensorischen Cortex der Großhirnrinde zu stimulieren, der ersten Verarbeitungs­station für das Tastempfinden der menschlichen Haut.

Bao hat hierzu mit dem Hirnforscher Karl Deisseroth, ebenfalls von der Stanford Universität, ein Modell entwickelt. Es wäre derzeit kaum auf den Menschen übertragbar, es zeigt aber, dass eine gezielte Hirnstimulation zur Übertragung taktiler Reize möglich wäre. Deisseroth ist der Erfinder der Optogenetik.

Dabei wird das Erbgut der Mäuse so verändert, dass ihre Nervenzellen den Sehpurpur Rhodopsin bilden, der Lichtsignale in Nervenimpulse verwandelt. Die Forschungen in diesem Tiermodell sind noch nicht sehr weit gediehen. Die in Science vorgestellten Ergebnisse beschränkten sich auf Gewebeschnitte: Dabei gelang es, mit Lichtsignalen, die vom „Digital Tactile System“ erzeugt wurden, einzelne Nervenzellen zu aktivieren.

Es bleibt unklar, ob lebende Tiere oder später Menschen diese Signale richtig interpretieren könnten. Theoretisch wäre es möglich, Patienten genetisch modifizierte lichtempfindliche Stammzellen in das Gehirn zu injizieren. Sie können dann Lichtsignale auffangen und über Synapsen an benachbarte Nervenzellen weiterleiten. Das sind derzeit allerdings reine Gedankenspiele. Realistischer wäre es, die Signale des „Digital Tactile Systems“ an sensible Nerven im Stumpf des amputierten Arms weiterzuleiten./rme © rme/aerzteblatt.de

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