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Selbstreinigungseffekt ermöglicht zukünftig patientenschonendere und effizientere Endoskopien

Freie Sicht ins Innere des Körpers

Erlangen (26. September 2016) – Ein international und interdisziplinär aufgestelltes Forscherteam aus Medizinern und Materialwissenschaftlern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der Harvard University haben eine neuartige Beschichtung für Endoskoplinsen entwickelt, die es ermöglicht, den durch Körperflüssigkeiten verursachten Sichtverlust bei dieser Untersuchungsmethode zu verringern. So wird die Untersuchungszeit verkürzt und der Patient geschont. Die neuartige Beschichtung, die das Team um Harvard-Wissenschaftlerin Prof. Dr. Joanna Aizenberg in enger Kooperation mit Prof. Dr. Nicolas Vogel vom FAU-Exzellenzcluster Engineering of Advanced Materials (EAM) entwickelte, beschreibt eine neue Studie im amerikanischen Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences.

Endoskopie ist ein wesentlicher Bestandteil moderner Medizin und Diagnostik. Diese Kamera-basierte Untersuchungsmethode ohne oder mit Hilfe von kleinen chirurgischen Eingriffen ermöglicht einen einzigartigen Blick in den lebenden Organismus. Sie ist die Basis für minimalinvasive operative Eingriffe, die Patienten weniger belasten und so dazu beitragen, Krankenhausaufenthalte und Kosten zu verringern. Jedes Endoskop ist mit einer Kamera und einem optischen System mit Beleuchtung ausgestattet, auf die der Chirurg zur Orientierung, Diagnose und Entnahme von Gewebeproben angewiesen ist. Ein grundlegendes Problem dieser modernen Diagnosemethode ist ein Verlust des Sichtfeldes durch Verschmutzung der Kameralinse mit Körpersekreten, wodurch eine präzise Steuerung des Gerätes verhindert und optische Diagnosen erschwert werden. Die Folge sind längere Behandlungszeiten und mögliche Komplikationen durch Reinigungsschritte oder notwendige Wiederholungsuntersuchungen.

Neuartige Beschichtung verringert Verlust des Sichtfeldes in Endoskopie-Prozeduren

Die in den USA und Erlangen entwickelte neuartige Beschichtung für Endoskoplinsen ermöglicht es, die Verschmutzung des Untersuchungsgerätes mit Körpersekreten effizient zu minimieren und so für freie Sicht zu sorgen. Die Schleier- und Schlierenbildung durch eine Benetzung mit Körperflüssigkeiten wird dadurch deutlich vermindert. Somit wird aufgrund der neuen Beschichtung eine beispiellose Klarheit des Sichtfeldes während der gesamten Untersuchung sichergestellt. Den an der Studie beteiligten Erlanger Wissenschaftler Nicolas Vogel stimmen die Ergebnisse optimistisch: „Die Beschichtung könnte dazu führen, dass Endoskopie-Untersuchungen für den Patienten bald kürzer und mit weniger Risiken durchgeführt werden können. Für uns war es wichtig zu sehen, dass die Beschichtung nicht nur unter Laborbedingungen, sondern auch in realen, klinischen Szenarien wirkungsvoll ein freies Sichtfeld ermöglicht.“

Die Studie beruht auf Ergebnissen von Lungenuntersuchungen, sogenannten Bronchoskopien, könnte aber nach Meinung von Vogel auf andere Endoskopietechniken übertragen werden: „Die Lunge ist aus Sicht einer Kameralinse eine ziemlich feindselige Umgebung. Diese ist warm, feucht und insbesondere bei kranken Patienten voll mit sehr klebrigen Lungensekreten. Bei der Entnahme von Gewebe kann es darüber hinaus zu starken Blutungen kommen. Unsere Beschichtung konnte die Verschmutzung der Linse mit all diesen Sekreten stark reduzieren.“ Im Rahmen von Reinigungsschritten muss das Endoskop häufig komplett aus der Lunge entfernt werden, wodurch das Risiko erhöht wird, dass die Wunde verunreinigt und so Entzündungen ausgelöst werden können. Aus Sicht der an der Studie beteiligten Ärzte hilft die Beschichtung daher nicht nur, endoskopische Untersuchungen effizienter und schonender zu gestalten, sondern auch, das Risiko von Infektionen durch Reinigungsschritte deutlich zu verringern.

Die Beschichtung der Linse – eine Inspiration aus der Natur

Die Inspiration für diese innovative Beschichtung kommt aus der Natur, in der verschiedene Organismen unterschiedliche Strategien zur Selbstreinigung ihrer Oberflächen entwickelt haben. Die Blätter der Lotuspflanze beispielsweise verhindern durch ihre einzigartige Oberflächenbeschaffenheit wirksam eine Benetzung mit Wasser und somit Verschmutzung der Blattoberfläche. Dieser Effekt wird mittlerweile vielseitig technologisch eingesetzt und findet sich zum Beispiel in schmutzabweisenden Fassadenanstrichen oder den wasserabweisenden Beschichtungen der neuesten Smartphone-Generation. Körpersekrete, die oft stark haftende Proteine beinhalten sowie Flüssigkeiten mit niedriger Oberflächenspannung wie Öle, Seifenlösungen und organische Lösungsmittel bringen solche Lotusbeschichtungen allerdings schnell an ihre Grenze. Eine alternative Strategie für das Design von selbstreinigenden Beschichtungen weist die Kannenpflanze aus der Nepenthes-Pflanzenfamilie auf. Im Gegensatz zur wasserabweisenden Lotuspflanze verwenden diese fleischfressenden Pflanzen eine poröse Struktur, um ihre Oberfläche mit einem dünnen Wasserfilm zu überziehen, wodurch die Oberfläche extrem glatt und rutschig wird. Eine zweite, kontaminierte Flüssigkeit kann nicht in direkten Kontakt mit der festen Pflanzenoberfläche treten und rutscht von dem imprägnierten Flüssigkeitsfilm ab. Vergleichbar ist dieser Effekt mit dem Gleiten von Schlittschuhen auf einer Eisoberfläche, bei dem ein dünner Wasserfilm unter den Kufen als Gleitmittel wirkt.

Vom Labor in den OP

Die Strategie der Kannenpflanze verwendeten die Wissenschaftler in der Studie, um auch stark haftende Körperflüssigkeiten abzuweisen: Eine dünne Schicht aus Silika-Nanopartikeln auf einer Glasoberfläche sorgt für die notwendige Oberflächenrauhigkeit. Die geringe Größe der verwendeten Strukturen ermöglicht dabei eine komplette Transparenz der Beschichtung – eine wichtige Voraussetzung für die Anwendung in der Endoskopie. Die Oberfläche dieser porösen Schicht wird nun so funktionalisiert, dass nicht Wasser – wie bei der Kannenpflanze -, sondern ein dünner Film aus Silikonöl in die Struktur gebunden wird. Solche Öle sind gesundheitlich unbedenklich und werden häufig in Salben, Kosmetika oder als Gleitmittel eingesetzt. Wässrige Körperflüssigkeiten, die in Kontakt mit einem so beschichteten Glasträger kommen, sitzen nun auf einem dünnen Film von Silikonöl, ohne in direkten Kontakt mit der darunterliegenden Oberfläche zu kommen. Dies erzielt eine erstaunlich effiziente Abweisung: die Flüssigkeit rutscht förmlich von der beschichteten Oberfläche.

Nach sorgfältiger Charakterisierung der abweisenden Wirkung der Beschichtung im Labor und dem Nachweis, dass die Beschichtung keine negativen gesundheitlichen Auswirkungen zeigt, testeten Ärzte der Harvard Medical School die abweisende Wirkung in der medizinischen Praxis. Die Beschichtungen wurden mit einem speziellen Silikonklebstoff an ein konventionelles Endoskop befestigt und dessen Anwendbarkeit in Schweinelungen untersucht. Die durchschnittliche Zeit zum Entfernen einer Verschmutzung auf der Endoskoplinse konnte so von mehr als einer Minute auf wenige Sekunden verkürzt werden und auch nach starken Blutungen sorgte die Beschichtung für ein freies Sichtfeld des Endoskops. „Eine Minute Reinigungszeit im Vergleich zu ein paar Sekunden hört sich nicht viel an, aber wenn man im OP neben dem Arzt steht, macht es einen Riesenunterschied“, erklärt Vog el.

Originalveröffentlichung

  • Joanna Aizenberg, Nicolas Vogel et al.: "Transparent Antifouling Material for Improved Operative Field Visibility in Endoscopy", PNAS (für Journalisten ab 26.9.16 einsehbar mittels Manuskriptnummer 2016-05272R in der PNAS Early Edition (EE) http://www.pnas.org/content/early/recent ).


Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg , 26.09.2016 (tB).

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