Künstliche Organe

Das weiche Herz aus dem 3D-Drucker

Im 3D-Druck hergestellt: ein künstliches Herz aus Silikon, das dem natürlichen Herzen in Form und Funktionsweise nachempfunden ist.

Quelle: ETH Zürich

Wissenschaftler in der Schweiz arbeiten seit Jahren an einem Kunstherzen. Ein erster Machbarkeitstest zeigte nun, dass es funktionieren kann – wenn auch bislang nur für die Dauer von 3.000 Schlägen. von Romy König

Bis zu 10.000 Liter Blut pumpt das Herz jeden Tag durch den menschlichen Körper, hält dessen Kreislauf aufrecht – und den Menschen selbst am Leben. Doch ist das Organ zu geschwächt, um seine Arbeit zu tun, braucht es Unterstützung: Wo Medikamente nicht mehr helfen, wird auf Herzchirurgie zurückgegriffen, werden Schrittmacher oder – in besonders schweren Fällen – mechanische Systeme zur Kreislaufunterstützung eingesetzt, darunter auch Kunstherzen.

Ventrikuläre Systeme (VAD) – mechanische Systeme, die eine der beiden Herzkammern, meist die linke, ersetzen – dienten bislang vor allem als kurzfristige Lösung: Einen herzkranken Menschen, der auf eine Transplantation wartete, konnten die Ärzte damit während der Suche nach einem Spenderherz am Leben halten.

Mittlerweile werden die Systeme aber, nicht zuletzt aufgrund der gesunkenen Zahl an zur Verfügung stehenden Spenderorganen, häufig als Dauerlösung bei Wartelisten-Patienten eingesetzt. Doch die Technologie ist nicht frei von Komplikationen. „Menschen mit Herzschwäche können wir derzeit keine optimale technische Lösung zur Verfügung stellen“, sagt Volkmar Falk, Direktor der Klinik für Herz-, Thorax- und Gefäßchirurgie am Deutschen Herzzentrum Berlin. Die gängigen Systeme könnten Blutungen und Gerinnsel fördern, ebenso seien Infektionen und neurologische Schäden möglich. „Auch technisches Versagen kommt immer wieder vor“, so Falk. Die Technologie, auf die sich die Systeme stützen, stamme größtenteils noch aus den 1960er Jahren.

20 Forschungsgruppen tüfteln gemeinsam

Seit Jahren arbeitet Herzchirurg Volkmar Falk mit Wissenschaftlern, Ingenieuren und Informatikern an einem voll implantierbaren Kunstherzen, das die unsicheren mechanischen Systeme künftig ablösen könnte: Unter dem Dach der Initiative „Zurich Heart“ haben sich in der Schweizer Hauptstadt 20 Forschungsgruppen zusammengeschlossen, darunter Spezialisten der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH), der Universität und zugehöriger Spitäler sowie des Deutschen Herzzentrums Berlin. In zwei miteinander verwobenen Forschungssträngen widmen sie sich sowohl der Verbesserung bestehender Herzunterstützungssysteme als auch der Suche nach alternativen Lösungen.

Ziel: weiche biomimetische Pumpe

So arbeiten die Wissenschaftler etwa an Komponenten, die die Antriebsenergie innerhalb eines Kunstherzens kontaktlos, also ohne Kabel, übertragen können. Daneben testen sie effiziente und adaptive Regelungs- und Sensortechnik, mit der die Pump- und Strömungsleistung optimiert werden kann. Außerdem untersuchen sie den Einfluss von elastischen Hybridmembranen und weichen Materialien. Das Ziel lautet stets: solche Techniken und Materialien zu finden, mit denen das menschliche Herz so naturgetreu wie möglich nachgebildet werden kann.

Beispiel Oberflächen: „Kommt menschliches Blut innerhalb eines Herzunterstützungssystems mit künstlichen Oberflächen in Kontakt, gerinnt es“, sagt Dimos Poulikakos, Thermodynamiker am ETH und Projektmitarbeiter. Die Gefahr: Es bilden sich Thrombosen oder Embolien. Poulikakos versucht daher mit seinem Team, biologisch verträgliches Oberflächenmaterial für Kunstherzen zu entwickeln. Sein ETH-Kollege Edoardo Mazza arbeitet derweil an formbaren Hybridmembranen, die dem Druck von fließendem Blut nachgeben können: „Das Blut, das durch die Membranen eines Kunstherzens fließt, soll physiologisch möglichst ‚normalen‘ Bedingungen ausgesetzt sein“, erklärt der Verfahrenstechniker. „Wir forschen daher in Richtung soft machines: Uns schwebt eine weiche biomimetische Pumpe vor, die Körpermaterialien soweit angenähert ist, dass sie sich den Volumenverhältnissen im menschlichen Körper besser anpassen kann.“

Nicholas Cohrs ist Doktorand im Fachbereich Funktionelles Material-Engineering an der ETH Zürich.

Quelle: ETH Zürich

Ist das ideale Kunstherz weich?

Diesen Ansatz verfolgt vor allem die Projektgruppe „Soft Pumps“, in der Nicholas Cohrs, Doktorand im Fachbereich Funktionelles Material-Engineering, forscht: „Aktuell werden Patienten vor allem Herzunterstützungssysteme implantiert, die lediglich einen kontinuierlichen Blutfluss erzeugen.“ Ursache dafür sei das genutzte Material: Hart und unnachgiebig in seiner Beschaffenheit erlaubt es keine pulsierenden Blutbewegungen. Anders dagegen das natürliche Vorbild: Das menschliche Herz ist so weich, dass das Blut im Pulsrhythmus durch die Gefäße gepumpt werden kann. „Wir glauben, dass das ideale Kunstherz komplett aus weichem Material bestehen sollte, dass sich nur so ein möglichst naturgetreuer Blutfluss erzeugen lässt und sich Zwischenfälle vermeiden lassen.“ Cohrs betont aber auch, dass es sich bei dieser Annahme lediglich um eine These handelt, die er und seine Kollegen in Zukunft noch werden belegen müssen.

Naturgetreues Innenleben

Ihr erster Prototyp, den die Projektgruppe nun nach anderthalb Jahren Forschung vorstellte, besteht komplett aus Silikon. Hergestellt haben ihn die Wissenschaftler mit einem 3D-Drucker. In seinen Maßen ähnelt das Kunstprodukt einem menschlichen Herzen: Es ist 390 Gramm schwer und umfasst etwa 679 Kubikzentimeter, passt also etwa in zwei Erwachsenenhände. Das Besondere: Die Entwickler gaben dem Modell ein annähernd naturgetreues Innenleben: Wie sein Vorbild besteht es aus einer rechten und linken Herzkammer.

„Die heutigen 3D-Drucker erlauben die Konstruktion einer komplexen Kammergeometrie“, so Cohrs. Allerdings sind die Kammern des Zürcher Herzens – anders als beim Naturherz – nicht durch eine Wand, sondern eine dritte Kammer voneinander getrennt. Diese wird durch Luftdruck bewegt, wodurch die Flüssigkeit aus den Kammern gepumpt wird. So wird die Muskelkontraktion des menschlichen Herzens imitiert.

Unter unterschiedlichen simulierten Bedingungen wird Blut durch das Kunstherz gepumpt.

Quelle: ETH Zürich

Silikonherz immitiert echten Puls

Ein erster Test, dessen Ergebnisse im Fachmagazin „Artifical Organs“ veröffentlicht wurden, zeigte nun, dass sich das Kunstherz tatsächlich sehr ähnlich wie ein menschliches Herz bewegt. In einer technischen Versuchsanordnung, in der Blut unter unterschiedlichen simulierten physiologischen Bedingungen durch das Modell gepumpt wurde, erreichte der Prototyp – bei einem Puls von 80 Schlägen pro Minute – einen Blutfluss von 2,2 Litern pro Minute bei einem Gefäßwiderstand von 1.11 mm Hg s/mL.

„Über die Form des Pulses haben wir uns sehr gefreut, weil sie jene eines echten Pulses recht gut imitiert,“ sagt Cohrs, „obwohl jedoch künftig noch mehr Fluss und Druck benötigt wird.“ Auch trat bei dem Versuch ein grundsätzliches Problem zutage: Länger als 3.000 Schläge hielt das Modell nicht durch – das entspricht einer Laufdauer von etwa einer halben Stunde, dann machte das Silikon nicht mehr mit. „Die Lebensdauer war schon enttäuschend“, sagt Cohrs. „Wir glauben aber, dass wir das in naher Zukunft deutlich verbessern können.“ Schließlich habe es sich bei dem Versuch klar um einen Machbarkeitstest gehandelt. Ziel sei nicht gewesen, ein implantierbares Herz vorzustellen, sondern bei der Entwicklung von künstlichen Herzen „in eine neue Richtung zu denken: ein innovatives Konzept eines erstmals weichen Kunstherzens vorzustellen.“

Die Forschung geht unterdessen weiter. Als Nächstes konzentrieren sich die Schweizer auf die Steigerung des Blutflusses und den Aortendruck. Auch die Suche nach einer besseren Geometrie sowie einem alternativen reißfesten Material wird die Entwickler in den nächsten Monaten beschäftigen. Cohrs: „Wir wollen für unser weiches Kunstherz unbedingt eine höhere Lebenszeit erreichen.“ Denn um nichts anderes geht es beim Herzen, ob nun aus Muskelfaser oder Kunststoff: um ein längeres Leben.

Mehr im Internet:

A Soft Total Artificial Heart – First Concept Evaluation on a Hybrid Mock Circulation

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