Eine einfachere Möglichkeit, medizinische Geräte zu entfernen

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Indem sie sich ein Phänomen zunutze machten, das zu Brüchen in Metall führt, haben MIT-Forscher medizinische Geräte entwickelt, die im Körper als Stents, Klammern oder Medikamentendepots verwendet und dann bei Bedarf sicher abgebaut werden können, wenn sie nicht mehr benötigt werden.

Die Forscher zeigten, dass biomedizinische Geräte aus Aluminium zersetzt werden können, indem man sie einem flüssigen Metall namens eutektischem Gallium-Indium (EGaIn) aussetzt. In der Praxis könnte dies funktionieren, indem die Flüssigkeit beispielsweise auf Klammern aufgetragen wird, die zum Zusammenhalten der Haut verwendet werden, oder indem den Patienten EGaIn-Mikropartikel verabreicht werden.

Wenn man den Zerfall solcher Geräte auf diese Weise auslöst, könnte die Notwendigkeit chirurgischer oder endoskopischer Eingriffe zu ihrer Entfernung entfallen, sagen die Forscher.

„Es ist ein wirklich dramatisches Phänomen, das auf verschiedene Situationen angewendet werden kann“, sagt Giovanni Traverso, Assistenzprofessor für Maschinenbau bei Karl van Quaste für Karriereentwicklung am MIT und Gastroenterologe am Brigham and Women's Hospital. „Dies ermöglicht möglicherweise die Möglichkeit, über Systeme zu verfügen, die keinen Eingriff wie eine Endoskopie oder einen chirurgischen Eingriff zur Entfernung von Geräten erfordern.“

Traverso ist der leitende Autor der Studie, die in Advanced Materials erscheint. Vivian Feig, Postdoktorandin am MIT, ist die Hauptautorin des Artikels.

Metalle abbauen

Seit mehreren Jahren arbeitet Traversos Labor an einnehmbaren Geräten, die Tage oder Wochen im Verdauungstrakt verbleiben und Medikamente nach einem bestimmten Zeitplan freisetzen können.

Die meisten dieser Geräte werden aus Polymeren hergestellt, aber in letzter Zeit untersuchen die Forscher die Möglichkeit der Verwendung von Metallen, die stärker und langlebiger sind. Eine der Herausforderungen bei der Lieferung von Metallgeräten besteht jedoch darin, eine Möglichkeit zu finden, diese zu entfernen, sobald sie nicht mehr benötigt werden.

Um Geräte zu entwickeln, die bei Bedarf im Körper zersetzt werden können, ließ sich das MIT-Team von einem Phänomen inspirieren, das als Flüssigmetallversprödung bekannt ist. Dieser Prozess ist als Fehlerquelle bei Metallkonstruktionen, einschließlich solcher aus Zink und Edelstahl, gut untersucht.

„Es ist bekannt, dass bestimmte Kombinationen flüssiger Metalle tatsächlich in die Korngrenzen fester Metalle gelangen und diese dramatisch schwächen und versagen können“, sagt Feig. „Wir wollten sehen, ob wir diesen bekannten Fehlermechanismus auf produktive Weise nutzen können, um diese biomedizinischen Geräte zu bauen.“

Eine Art flüssiges Metall, das zur Versprödung führen kann, ist Gallium. Für diese Studie verwendeten die Forscher eutektisches Gallium-Indium, eine Galliumlegierung, die Wissenschaftler für eine Vielzahl von Anwendungen in der Biomedizin sowie in der Energie- und flexiblen Elektronik erforscht haben.

Für die Geräte selbst entschieden sich die Forscher für die Verwendung von Aluminium, das bekanntermaßen anfällig für Versprödung ist, wenn es Gallium ausgesetzt wird.

Gallium schwächt feste Metalle wie Aluminium auf zwei Arten. Erstens kann es durch die Korngrenzen des Metalls diffundieren – Grenzlinien zwischen den Kristallen, aus denen das Metall besteht – und dazu führen, dass Metallteile abbrechen. Das MIT-Team zeigte, dass es sich dieses Phänomen zunutze machen konnte, indem es Metalle mit unterschiedlichen Arten von Kornstrukturen konstruierte, die es den Metallen ermöglichten, in kleine Stücke zu zerbrechen oder an einem bestimmten Punkt zu brechen.

Gallium verhindert außerdem, dass Aluminium auf seiner Oberfläche eine schützende Oxidschicht bildet, wodurch das Metall stärker Wasser ausgesetzt wird und seine Zersetzung beschleunigt wird.

Das MIT-Team zeigte, dass sich die Metalle innerhalb von Minuten auflösten, nachdem sie Gallium-Indium auf Aluminiumgeräte aufgetragen hatten. Die Forscher stellten auch Nano- und Mikropartikel aus Gallium-Indium her und zeigten, dass diese in Flüssigkeit suspendierten Partikel auch Aluminiumstrukturen abbauen können.

Desintegration auf Abruf

Während die Forscher damit begannen, Geräte zu entwickeln, die im Magen-Darm-Trakt abgebaut werden konnten, erkannten sie bald, dass sie auch auf andere biomedizinische Geräte wie Klammern und Stents angewendet werden könnten.

Um GI-Anwendungen zu demonstrieren, entwarfen die Forscher ein sternförmiges Gerät mit Armen, die über ein hohles Aluminiumrohr an einem zentralen Elastomer befestigt sind. Medikamente können in den Armen getragen werden und die Form des Geräts trägt dazu bei, dass es über einen längeren Zeitraum im Magen-Darm-Trakt verbleibt. In einer Tierstudie zeigten die Forscher, dass ein solches Gerät bei Behandlung mit Gallium-Indium im Magen-Darm-Trakt abgebaut werden kann.

Anschließend stellten die Forscher Aluminiumklammern her und zeigten, dass sie zum Zusammenhalten von Gewebe verwendet und dann mit einer Gallium-Indium-Beschichtung aufgelöst werden konnten.

„Im Moment kann das Entfernen der Klammern tatsächlich zu mehr Gewebeschäden führen“, sagt Feig. „Wir haben gezeigt, dass wir unsere Galliumformulierung einfach auf die Heftklammern auftragen können und sie stattdessen bei Bedarf zerfallen lassen.“

Die Forscher zeigten auch, dass ein von ihnen entworfener Aluminiumstent in Speiseröhrengewebe implantiert und dann durch Gallium-Indium abgebaut werden konnte.

Derzeit werden Ösophagusstents entweder dauerhaft im Körper belassen oder endoskopisch entfernt, wenn sie nicht mehr benötigt werden. Solche Stents werden häufig aus Metallen wie Nitinol, einer Legierung aus Nickel und Titan, hergestellt. Die Forscher arbeiten nun daran, lösbare Geräte aus Nitinol und anderen Metallen herzustellen.

„Aus materialwissenschaftlicher Sicht ist es spannend zu erforschen: Können wir andere Metalle, die in der Klinik häufiger verwendet werden, so modifizieren, dass sie ebenfalls aktiv aktivierbar sind?“ Sagt Feig.

In dieser Studie führten die Forscher erste Toxizitätsstudien an Nagetieren durch und stellten fest, dass Gallium-Indium selbst bei hohen Dosen ungiftig war. Allerdings wären weitere Studien erforderlich, um sicherzustellen, dass die Verabreichung an Patienten sicher wäre, sagen die Forscher.

Die Forschung wurde von der Bill and Melinda Gates Foundation, der Abteilung für Maschinenbau des MIT, der Abteilung für Gastroenterologie des Brigham and Women's Hospital, dem Schmidt Science Fellows Program und dem Rhodes Trust finanziert.

Weitere Autoren des Papiers sind Eva Remlova, Benjamin Muller, Johannes Kuosmanen, Nikhil Lal, Anna Ginzburg, Kewang Nan, Ashka Patel, Ahmad Mujtaba Jebran, Meghan Bantwal, Niora Fabian, Keiko Ishida, Joshua Jenkins, Jan-Georg Rosenboom und Sanghyun Park , Madani Tent und Alison Hayward.

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