Pflaster mit Sensorfunktion Der Spion im Bauch

Damit Wunden nach einer Operation im Bauchraum dicht verschlossen bleiben, haben Forscher der Empa und der ETH Zürich ein Pflaster mit Sensorfunktion entwickelt. Das Polymerpflaster warnt, bevor gefährliche Lecks an Nähten im Magen-Darm-Trakt entstehen und schließt die Stellen eigenständig. Ein neues Material ermöglicht nun eine schnelle, einfache und nicht-invasive Leck-Diagnose.

Nach einer Operation in der Bauchhöhle sind sie besonders gefürchtet: undichte Stellen an den Nähten, an denen der Inhalt des Verdauungskanals in den Bauchraum rinnt. „Auch heute stellen derartige Leckagen eine lebensgefährliche Komplikation dar“, erklärt Inge Herrmann, Empa-Forscherin und ETH-Professorin für Nanopartikuläre Systeme. Die Idee, vernähtes Gewebe in der Bauchhöhle im Anschluss mit einem Pflaster zu versiegeln, ist zwar bereits im Operationssaal angekommen. Das Problem: Der klinische Erfolg ist nicht immer optimal und variiert je nach verklebtem Gewebe. Denn die Pflaster aus Eiweiß-haltigem Material lösen sich beim Kontakt mit Verdauungssäften zu schnell auf. Im Rahmen einer langjährigen Kooperation verfolgten Herrmann und Andrea Schlegel, Chirurgin am Universitätsspital Zürich, daher die Idee, eine innovative Lösung für dieses Problem zu finden.

Dem Pflaster das Sehen beibringen

Alexandre Anthis vom „Particles-Biology-Interactions“-Labor der Empa in St. Gallen und dem „Nanoparticle-Systems-Engineering“-Labor der ETH Zürich entwickelte daher unter der Leitung von Herrmann zunächst ein Hydrogel-Polymer-Pflaster, das verhindert, dass die stark sauren Verdauungssäfte und keimbeladene Nahrungsrückstände aus dem Darmkanal austreten und eine Bauchfellentzündung oder sogar eine lebensgefährliche Blutvergiftung (Sepsis) auslösen.

Doch die Forscher wollten noch einen Schritt weitergehen: „Chirurgen haben uns berichtet, dass sie zwar während eines noch so komplizierten Eingriffs das Operationsfeld genau im Blick haben – doch sobald die Bauchhöhle verschlossen ist, sei man ‚blind‘ und bemerke Leckagen möglicherweise erst, wenn es zu spät ist“, sagt Anthis. Damit das Hydrogel-Pflaster also „sehen lernt“, hat das Team gemeinsam mit Krankenhäusern in der Schweiz und internationalen Forschungspartnern eine Lösung erarbeitet: Das Pflaster ist mit nicht-elektronischen Sensoren ausgestattet, der bereits „Alarm schlägt“, bevor sich Verdauungssäfte in die Bauchhöhle austreten können. Über diese neue Technologie berichteten die Forscher vor einiger Zeit im renommierten Magazin „Nature Communications“.

Wundheilung

Bioresorbierbare Membran für die Heilung innerer und äußerer Wunden

Gasblasen im Ultraschall

Die „Sehfähigkeit“ erreicht das neuartige Material durch eine empfindliche Reaktion auf Änderungen des pH-Werts und das Auftreten bestimmter Eiweißstoffe im Umfeld der Wunde. Die Reaktion erfolgt dabei – je nach Lokalisation des Lecks – innerhalb Minuten bzw. weniger Stunden. Bislang muss sich das Gesundheitspersonal auf erst deutlich später eintretende körperliche Reaktionen der Betroffenen oder Labortests verlassen – beide Hinweise liefern unter Umständen zu spät einen eindeutigen Hinweis auf eine undichte Nahtstelle.

Das Sensorpflaster erlaubt es hingegen, aufgrund seiner Komposit-Struktur Verdauungsflüssigkeit nachzuweisen, die bei einem Leck auszutreten drohen. So reagiert beispielsweise saurer Magensaft mit dem Sensor-Material, so dass feinste Gasblasen in der Matrix des Pflasters auftauchen. Die Bläschen lassen sich dann mittels Ultraschall sichtbar machen. „Die Pflaster können mit maßgeschneiderten Sensoren für unterschiedliche Stellen im Verdauungstrakt ausgerüstet werden“, sagt Anthis. Außerdem kann das Pflaster bei Bedarf sogar Medikamente freisetzen, etwa antibakterielle Wirkstoffe.

Sensor mit auffälliger Gestalt

Im jüngsten Entwicklungsschritt hat der Empa- und ETH-Zürich-Forscher Benjamin Suter gemeinsam mit Anthis und Herrmann das Pflaster mit weiteren Fähigkeiten ausgestattet: Die Sensorreaktion wird um eine sichtbare Veränderung bei Untersuchungen des Patienten mittels Computertomographie (CT) bereichert. Ist die operierte Stelle undicht, weisen Kontrastabweichungen auf Ultraschall- und CT-Bildern auf ein Leck hin. Einfacher macht diesen Nachweis zudem die neue Materialzusammensetzung des integrierten Sensors, der dank einer unlöslichen Tantal-Oxid-Verbindung in eine Form, die in bildgebenden Verfahren auffällt, gebracht werden kann. Bei Kontakt mit Verdauungsflüssigkeit ändert er seine Gestalt beispielsweise von kreisrund zu ringförmig. „Ein Sensor, dessen Gestalt sich im CT- und Ultraschall-Bild deutlich von anatomischen Strukturen abhebt, könnte in Zukunft Unklarheiten bei der Diagnostik verhindern“, sagt Teamleiterin Herrmann.

Bioverträglicher Superkleber

Darüber hinaus erreicht das Material die nötigen Eigenschaften für den Wundverschluss: eine stabile Bindung an das Gewebe, die Ausbildung von Netzwerken und Stabilität gegenüber Verdauungssäften. Der kostengünstige, bioverträgliche Superkleber, der zu einem Großteil aus Wasser besteht, könnte auf diese Weise nicht nur das Risiko von Komplikationen nach einer Bauchoperation senken, sondern zudem Krankenhausaufenthalte verkürzen und Gesundheitskosten einsparen. „Das Darmpflaster-Projekt stößt bereits jetzt auf großes Interesse aus der Ärzteschaft“, berichtet Herrmann. Nun gelte es, die Anwendung der klinisch relevanten Innovation in der Praxis voranzutreiben.

Dieser Artikel ist zuerst erschienen auf unserem Schwesterportal www.devicemed.de.

Originalpublikation: Suter, B., Anthis, A. H. C., Zehnder, A.-K., Mergen, V., Rosendorf, J., Gerken, L. R. H., Schlegel, A. A., Korcakova, E., Liska, V., Herrmann, I. K., Surgical Sealant with Integrated Shape-Morphing Dual Modality Ultrasound and Computed Tomography Sensors for Gastric Leak Detection, Adv. Sci. 2023; DOI: 10.1002/advs.202301207

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