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Advanced Laboratory Phantoms for Soft Tissues in Engineering and Medicine: ALPHA-STEM

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Neue synthetische Materialien für bessere Übungsmodelle bei der chirurgischen Ausbildung

Mehr als die Hälfte aller unerwünschten chirurgischen Ereignisse sind auf menschliches Versagen zurückzuführen. Mit anderen Worten: Sie hätten verhindert werden können. Doch wie? Nach Ansicht eines Forschers lautet die Antwort: Üben, üben und nochmals üben.

Industrielle Technologien
Gesundheit

Untersuchungen zeigen, dass die Erfolgsquote bei vielen Arten von Operationen stark mit dem Erfahrungsreichtum der Chirurgin oder des Chirurgen korreliert. Das Problem besteht darin, dass Auszubildenden in der Chirurgie nicht die Möglichkeit gegeben ist, eine ausreichende Zahl an Patientinnen und Patienten zu operieren oder eine umfassende Auswahl an chirurgischen Eingriffen durchzuführen. „Die derzeitigen Methoden für die chirurgische Ausbildung sind mit Einschränkungen behaftet, unter anderem mit einer begrenzten Anzahl von Leichen und der Tatsache, dass Tierproben nicht dieselbe Anatomie aufweisen wie Menschen“, sagt Antonio Elia Forte, Assistenzprofessor am King‘s College London. „Es ist auch fraglich, ob sich die an diesen Modellen gewonnenen Erfahrungen ohne Weiteres auf den echten Operationssaal übertragen lassen.“ Eine mögliche Lösung stellt die Verwendung von Phantomen dar, also künstlichen, synthetischen 3D-Modellen von menschlichen Körperteilen und Organen. Laut Forte liegt der Vorteil von Phantommodellen für Auszubildende darin, dass sie die Anordnung anatomischer Strukturen üben und gleichzeitig ihre Handkoordination optimieren können. Von Nachteil ist jedoch der Mangel an zuverlässigen taktilen Rückmeldungen, z. B. durch Abtasten, und an Musterbeispielen echter Gewebedeformationen. Beides beeinträchtigt den Präzisionsgrad der Ausbildung. Mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts ALPHA-STEM bemüht sich Forte um Verbesserungen bei der Verwendung von Phantommodellen. „Unser Ziel ist es, neue synthetische Materialien zu entwerfen, zu entwickeln und zu testen, mit denen das mechanische Verhalten verschiedener menschlicher Organe und Gewebe für den Einsatz in anatomischen 3D-Modellen nachgebildet werden kann“, erläutert Forte.

Fortschritte bei mechanischen Metamaterialien

Im Rahmen des Projekts wurden mehrere wichtige Fortschritte im Hinblick auf das grundlegende Wissen über mechanische Metamaterialien erzielt. Wie Forte erklärt, handelt es sich dabei um technische Materialien, deren mechanische Eigenschaften nicht durch ihre chemischen Eigenschaften, sondern durch ihre Struktur bestimmt werden. Dazu zählen beispielsweise Materialklassen wie architektonische Tessellationen, Origami- und Kirigami-Muster sowie chirale und arabische Motive. Einer der Höhepunkte des Projekts, das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützt wurde, war die Entwicklung eines aufblasbaren Kirigami-Metamaterials, also eine Art Kirigami-Schablone, die in ein weiches aufblasbares Polymer eingebettet ist. „Werden die geometrischen Parameter der Kirigami-Tesselation verändert, können durch das Aufblasen des Materials verschiedene Formen erzeugt werden“, erklärt Forte. „Das Material wird derzeit als möglicher Kandidat für die Herstellung dynamischer Lungenphantome untersucht, die den Atemzyklus nachbilden können.“ Fortes Arbeit mit dem Kirigami-Metamaterial wurde in „Advanced Materials“ – einer der wichtigsten Fachzeitschriften in der Materialwissenschaft – nicht nur vorgestellt, sondern schaffte es auch auf die Titelseite.

Auf dem Weg zu sichereren Operationen

Das Projekt ALPHA-STEM konnte den Weg zu sichereren Operationen ebnen, indem es Möglichkeiten für bessere chirurgische Ausbildungsmodellen eröffnet hat. „Dieses Projekt hat zu einem beträchtlichen Teil das grundlegende Verständnis der Funktionsweise technischer Materialien erweitert, so dass wir sie nun nutzen können, um die chirurgische Ausbildung und die Operationen selbst zu verbessern“, bemerkt Forte. Auch Fortes Karriere wurde durch das Projekt vorangebracht. „Ich konnte meine Arbeit an der Harvard University und am Polytechnikum Mailand durchführen und überdies mit erstklassigen Forscherinnen und Forschern zusammenarbeiten“, ergänzt er. „Es war eine unglaublich bereichernde Erfahrung und ich werde der EU für diese großartige Chance ewig dankbar sein.“

Schlüsselbegriffe

ALPHA-STEM, synthetische Materialien, chirurgische Übungsmodelle, Operationen, chirurgische Eingriffe, Phantome, anatomische 3D-Modelle, mechanische Metamaterialien, Kirigami, Materialwissenschaft

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