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Künstliche Aorta kann den Blutdruck von Patienten senken
«Über 23 Millionen Menschen auf der ganzen Welt leiden an Herzinsuffizienz. Die Krankheit wird in der Regel mit einer Transplantation behandelt, aber da Spenderherzen schwer zu bekommen sind, besteht ein ständiger Bedarf an alternativen Therapien. Mit neuen Entwicklungen bei Herzunterstützungssystemen können wir die Notwendigkeit einer Transplantation hinauszögern – oder sogar ganz vermeiden», sagt Professor Yves Perriard, Leiter des Zentrums für künstliche Muskeln der EPFL innerhalb der Fakultät für Ingenieurwissenschaft und Technologie. Er und ein Team von rund zehn weiteren Ingenieurinnen des Labors für integrierte Aktuatoren (LAI) der EPFL haben in den vergangenen vier Jahren an einer neuen Technologie zur Herzunterstützung gearbeitet. Ihre Entdeckung, bei der flexible Aktuatoren zum Einsatz kommen, wurde in Advanced Science veröffentlicht.
Elektroden und eine Silikon-Aorta
Unsere Aorta ist von Natur aus elastisch. Sie dehnt sich aus, wenn Blut aus der linken Herzkammer in sie hineingepumpt wird, und zieht sich dann zusammen, um das Blut an den Rest des Körpers zu verteilen. Doch bei Erkrankungen wie der Herzinsuffizienz muss das Herz mehr arbeiten, um diesen Kreislauf zu bewältigen. Um das Herz zu entlasten, haben die EPFL-Ingenieurinnen eine künstliche Aorta aus Silizium und einer Reihe von Elektroden entwickelt. Das Gerät wird direkt hinter der Aortenklappe implantiert und verstärkt die Arbeit der Aorta, indem es wie eine «vergrösserte Aorta» funktioniert. Wenn eine elektrische Spannung an das Gerät angelegt wird, dehnt sich die künstliche Aorta auf einen Durchmesser aus, der grösser ist als der der natürlichen Aorta. «Der Vorteil unseres Systems ist, dass es den Druck auf das Herz der Patientin reduziert. Die Idee ist nicht, das Herz zu ersetzen, sondern es zu unterstützen», sagt Yoan Civet, Wissenschaftler am LAI.
© 2021 EPFL
Dem Herzen helfen, weniger Energie zu verbraucht
Um ihr System zu validieren, bauten die Forschenden einen Simulator, der aus Pumpen und Kammern besteht, die die Blutfluss- und Druckbedingungen innerhalb eines menschlichen Herzens nachbilden. «Als wir unser Gerät im Simulator testeten, konnten wir den Energiebedarf des Herzens um 5,5 % reduzieren», sagt Civet. Das Team plant nun weitere Tests seiner künstlichen Aorta und arbeitet bereits an einem neuen Design mit besserer Leistung.
© Félix Wey, Werner Siemens Stiftung / 2021 EPFL
Die eigentliche Herausforderung liegt jedoch im Herstellungsschritt. «Wir haben bei Null angefangen und mussten einen neuen Produktionsprozess entwickeln, der es uns erlaubt, das Volumen des Silikonschlauchs zu erhöhen. Ausserdem mussten wir ein Problem mit dem elektrischen Durchschlag überwinden. Aufgrund unseres mehrschichtigen Designs wurde nur ein halb so günstiges elektrisches Feld erreicht wie bei einem Einmembransystem. Wir mussten das Problem beheben und dann eine Lösung finden», sagt Civet. Die Forschenden haben ein Patent für ihre Technologie angemeldet. Die Hoffnung ist, dass ihre Entdeckung zur Behandlung anderer medizinischer Probleme, wie z. B. urologischer Erkrankungen, verwendet werden kann, die einen ähnlichen Ansatz erfordern.