Wunden löten mit Licht- und Nano-Thermometern

Nicht jede Wunde kann mit Nadel und Faden verschlossen werden. Empa-Forscher haben nun ein Lötverfahren mit Nanopartikeln entwickelt, das Gewebe schonend verschmilzt. Durch die Löttechnik sollen Wundheilungsstörungen und lebensbedrohliche Komplikationen durch undichte Nähte verhindert werden.

Das Team vor kurzem veröffentlicht die vielversprechende Methode in der Zeitschrift Kleine Methoden und zum Patent angemeldet.

Vor mehr als 5.000 Jahren kam der Mensch auf die Idee, eine Wunde mit Nadel und Faden zu vernähen. An diesem Operationsprinzip hat sich seitdem nicht viel geändert: Je nach Fingerspitzengefühl des Operateurs und der Ausrüstung lassen sich Schnitte oder Risse im Gewebe mehr oder weniger perfekt zusammenfügen. Sobald beide Seiten einer Wunde sauber miteinander verbunden sind, kann der Körper beginnen, die Gewebelücke auf natürliche Weise dauerhaft zu schließen.

Allerdings erreicht die Naht nicht immer das, was sie soll. Bei sehr weichem Gewebe kann der Faden das Gewebe durchschneiden und zusätzliche Verletzungen verursachen. Und wenn der Wundverschluss die inneren Organe nicht abdichtet, können durchlässige Nähte ein lebensbedrohliches Problem darstellen. Forscher der Empa und der ETH Zürich haben nun einen Weg gefunden, Wunden mit Lasern zu verlöten.

Temperaturkontrolle in Echtzeit

Beim Löten werden in der Regel Materialien mittels Hitze über ein schmelzendes Bindemittel miteinander verbunden. Die Tatsache, dass diese thermische Reaktion bei biologischen Materialien in engen Grenzen bleiben muss und gleichzeitig die Temperatur nicht-invasiv nur schwer zu messen ist, stellt ein Problem für die Anwendung von Lötprozessen in der Medizin dar.

Das Team um Oscar Cipolato und Inge Herrmann vom Labor „Particles Biology Interactions“ der Empa in St. Gallen und dem Nanoparticle Systems Engineering Laboratory der ETH Zürich tüftelte deshalb an einem smarten Wundverschlusssystem, bei dem sich das Laserlöten schonend und effizient steuern lässt. Dazu entwickelten sie einen Haftvermittler mit metallischen und keramischen Nanopartikeln und nutzten die Nanothermometrie zur Temperaturkontrolle.

Die Eleganz des neuen Lötverfahrens beruht auch auf dem Zusammenspiel der beiden Arten von Nanopartikeln in der verbindenden Protein-Gelatine-Paste. Während die Paste mit einem Laser bestrahlt wird, wandeln Titannitrid-Nanopartikel das Licht in Wärme um. Die speziell synthetisierten Wismutvanadat-Partikel in der Paste fungieren hingegen als winzige fluoreszierende Nano-Thermometer. Sie emittieren temperaturabhängig Licht einer bestimmten Wellenlänge und ermöglichen so eine äußerst präzise Temperaturregulierung in Echtzeit.

Dadurch eignet sich die Methode besonders für den Einsatz in der minimalinvasiven Chirurgie, da sie ohne Rühren auskommt und Temperaturunterschiede mit äußerst feiner Ortsauflösung in oberflächlichen und tiefen Wunden ermittelt.

Sanfte IR

Nachdem das Team die Bedingungen für „iSoldering“ (intelligentes Löten) durch mathematische Modellierung in silico optimiert hatte, konnten die Forscher die Leistung des Verbundmaterials untersuchen. Gemeinsam mit Chirurgen des Universitätsspitals Zürich, der Cleveland Clinic (USA) und der tschechischen Karlsuniversität gelang es dem Team in Laborversuchen mit verschiedenen Gewebeproben eine schnelle, stabile und biokompatible Verklebung von Wunden an Organen wie der Bauchspeicheldrüse oder der Leber.

Ebenso erfolgreich und schonend verlief die Versiegelung besonders anspruchsvoller Gewebeabschnitte wie Harnröhre, Eileiter oder Darm mittels iSoldering. Das Nanopartikel-Verbundmaterial wurde nun zum Patent angemeldet.

Aber die Forscher hörten hier nicht auf. Es gelang ihnen, die Laserlichtquelle durch sanfteres Infrarotlicht (IR) zu ersetzen. Damit rückt die Löttechnik dem Einsatz in Krankenhäusern einen weiteren Schritt näher. „Wenn medizinisch zugelassene IR-Lampen eingesetzt würden, könnte die innovative Löttechnologie in herkömmlichen Operationssälen ohne zusätzliche Laserschutzmaßnahmen eingesetzt werden“, sagt Empa-Forscherin Inge Herrmann.