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Technologie Wissenschaft

Künstliche Flimmerhärchen entwickelt

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme entwickeln künstliche Flimmerhärchen, die so programmiert werden können, dass sie sich in Wellen bewegen. In Experimenten zeigen sie, wie die millimeterkleinen Zilien viskose Flüssigkeiten genauso effektiv pumpen können wie ihr natürliches Vorbild. Ihre Forschung trägt dazu bei, das Geheimnis zu lüften, welches Bewegungsmuster einen maximalen Flüssigkeitsstrom erzeugt.

Zilien sind haarähnliche Strukturen, die zum Beispiel in den Atemwegen vorkommen. Durch die Zilienbewegung wird Schleim und an ihm haftende, unerwünschte Substanzen aus den Atemwegen befördert. Der Roboter, den die Wissenschaftler nun entwickelt haben, ähnelt echten Flimmerhärchen. Der einzige Unterschied ist die Größe: Jedes Replikat einer Zilie ist knapp einen Millimeter lang. Das ist hundertmal grösser als ein natürliches Flimmerhärchen. Dafür ist jedes Härchen programmierbar: Die Forscher können die Bewegung jedes einzelnen Flimmerhärchens fernsteuern und auch die koordinierte Bewegung aller Flimmerhärchen im Zusammenspiel mit ihren Nachbarn. „Mit unserem künstlichen System können wir Bewegungen ähnlich wie echte Flimmerhärchen in einem größeren Maßstab nachahmen, wobei immer die gleichen physikalischen Gesetze gelten. Auf diese Weise können wir viele verwertbare Daten erzeugen. Wir können quantifizieren, welche Bewegungsmuster einen maximalen Flüssigkeitsstrom erzeugen“, so Studienautor Xiaoguang Dong.

Das Team ist davon überzeugt, dass ihr Forschungsprojekt weitere Forschung inspirieren wird: Die künstlichen Flimmerhärchen könnten für die weitere Untersuchung vieler interessanter wissenschaftlicher Fragen genutzt werden und auch dazu, um hochmoderne Miniaturroboter zu entwickeln. Diese könnten etwa als innovative kabellose medizinische Geräte eingesetzt werden.

Referenzen: MPI-IS, Stuttgart
Bioinspired cilia arrays with programmable nonreciprocal motion and metachronal coordinatio; Sciences Advances 6.11.2020; https://advances.sciencemag.org/content/6/45/eabc9323.full

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Dermatologie Technologie Wissenschaft

Elektronische Haut kann auf Schmerz reagieren

Australischen Forschern ist ein Durchbruch bei der Entwicklung eines künstlichen Haut-Ersatzes gelungen. Sie haben eine elektronische „Haut“ entwickelt, die wie echte Haut auf Schmerzen reagiert und diese auch mit der gleichen Geschwindigkeit wie menschliche Zellen weiterleitet. Die neue Haut könnte als Alternative zu Hauttransplantaten zur Verfügung stehen und den Einsatz von intelligenter Prothetik und Robotik entscheidend vorantreiben.

Bisher konnte keine Technologie das menschliche Schmerzgefühl realistisch nachahmen. Das neue Material reagiert jedoch sofort, wenn Druck, Hitze oder Kälte eine schmerzhafte Schwelle erreichen. „Es bedeutet, dass unsere künstliche Haut den Unterschied zwischen dem sanften Berühren einer Nadel mit dem Finger oder dem versehentlichen Stechen selbst erkennt,“ so das Team um Prof. Madhu Bhaskaran: „eine kritische Unterscheidung, die auf elektronischem Wege noch nie erreicht wurde“.

Für ihr System haben die Techniker drei eigene vorangegangene Erfindungen die bereits zum Patent angemeldet sind kombiniert: sehr dünne, dehnbare Elektronik; temperaturreaktive Beschichtungen und elektronische Speicherzellen, die die Art und Weise imitieren, wie das Gehirn das Langzeitgedächtnis nutzt, um vorhergehende Informationen abzurufen und zu speichern.

Referenzen:

RMIT University, Melbourne; National Institute of Cardiovascular Diseases, BangladeshArtificial Somatosensors: Feedback receptors for electronic skins; Advanced Intelligent Systems 1.9.2020; https://doi.org/10.1002/aisy.202000094

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Ophthalmologie Technologie Wissenschaft

Künstliche Intelligenz gegen Blindheit

Internationale Forscher haben mithilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) ein Modell entwickelt, das die Behandlung von Blindheit und Sehverlust zukünftig grundlegend verändern könnte.

Das Team trainierte ein künstliches neuronales Netzwerk – d.h. einen Computeralgorithmus, der die Funktionsweise von Neuronen im menschlichen Gehirn nachahmt -, um differenzierte Zellen im Netzhautgewebe zu identifizieren und vorherzusagen. Die Maschine war in der Lage, differenzierte Zellen mit einer Genauigkeit von 84% zu erkennen, verglichen mit 67%, die vom Menschen erreicht wurden.

„Die menschliche Netzhaut hat eine sehr begrenzte Regenerationsfähigkeit“, so Pavel Volchkov vom Moskauer Institut für Physik und Technologie. „Dies bedeutet, dass jeder fortschreitende Verlust von Neuronen – beispielsweise beim Glaukom – unweigerlich zu einem vollständigen Verlust des Sehvermögens führt.“ „Wir sind der Entwicklung von Zelltherapien für Netzhauterkrankungen einen Schritt näher gekommen. Außerdem kann der Ansatz nicht nur auf andere Zelllinien übertragen werden, sondern auch auf andere menschliche künstliche Organe.“, so Co-Autor Evgenii Kegeles vom Schepens Eye Research Institute, USA.

Referenzen:
Moscow Institute of Physics and Technology – MIPT, Ivannikov Institute for System Programming, Schepens Eye Research Institute
Convolutional Neural Networks Can Predict Retinal Differentiation in Retinal Organoids
Front. Cell. Neurosci., 03 July 2020 |
https://doi.org/10.3389/fncel.2020.00171

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Onkologie Technologie Therapie Wissenschaft

Gerät zerschreddert Tumorzellen

Forscher der Johannes Kepler Universität Linz (JKU) haben einen „Tumorzellschredder“ entwickelt, der bereits zum Patent angemeldet wurde. Mit dem Gerät kann das Blut so geschert werden, dass es unbeeinträchtigt bleibt, die zirkulierenden Verbände von Tumorzellen, so genannte CTCs (circulating tumor cells), aber Schaden nehmen bzw. zerstört werden. Durch entsprechende Regelung des Geräts wird der natürliche Blutstrom nicht beeinträchtigt. Ein derartiges Verfahren ist völlig neu.

Das innovative Gerät ist noch kein ausgereifter Prototyp, sondern ein Demonstrator. Es zeigt, dass das Prinzip funktioniert, also die CTCs zerstört werden können. Für die Entwicklung eines klinisch einsetzbaren Geräts, sei noch viel Forschung und ein hoher Finanzierungsaufwand, sowie weitere unterschiedliche Tests erforderlich. Erst dann können klinische Studien und die Zulassung als Medizingerät erfolgen.

Auch wenn der Weg bis zum Einsatz für Patienten noch ein weiter ist, so ist das Forscherteam vom Potenzial des „Tumorzellschredders“ überzeugt: „Er könnte Patienten mit schlechter Prognose mehr Lebenszeit und Lebensqualität schenken.“

Referenz:
JKU – Johannes Kepler Universität Linz
https://www.jku.at/news-events/news/detail/news/jku-entwickelt-geraet-das-tumorzellen-zerschreddert

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Kardiologie Leben Technologie Telemedizin Therapie Wissenschaft

Sprachanalyse identifiziert Lungenstauungen

Die Sprachanalyse mit einer Smartphone-App identifiziert Lungenstauungen bei Patienten mit Herzinsuffizienz und ermöglicht ein frühzeitiges Eingreifen, bevor sich ihr Zustand verschlechtert.

Herzinsuffizienz betrifft weltweit mehr als 26 Millionen Menschen. Sie ist die häufigste Ursache für Krankenhausaufenthalte in den USA und in Europa. Eine strenge Überwachung der Patienten könnte die damit verbundenen Krankenhausaufenthalte und Todesfälle verringern. Das häufigste Symptom ist Atemnot, die durch Wasserstauungen in der Lunge verursacht wird. Eine Lungenstauung führt zu subtilen Veränderungen der Sprachmuster, die ein Instrument zur Beurteilung des klinischen Status sein können.

Die Studie umfasste 40 Patienten, die mit akuter Herzinsuffizienz und Lungenstauung ins Krankenhaus eingeliefert wurden. Die Patienten wurden gebeten, bei der Aufnahme und kurz vor der Entlassung fünf Sätze auf einem Standard-Smartphone aufzuzeichnen. Die Dauer jeder Aufnahme betrug 2–5 Sekunden. Die Forscher fanden heraus, dass die Technologie erfolgreich zwischen dem Zustand bei der Aufnahme und dem Zustand bei der Entlassung unterschied.

Das System könne zur Überwachung von Patienten mit Herzinsuffizienz zu Hause eingesetzt werden. Kleine Abweichungen, die den Beginn der Flüssigkeitsansammlung anzeigen, erzeugen bei behandelten Ärzten einen Alarm. „Personen mit frühen Anzeichen einer Lungenstauung könnten Anpassungen ihrer Behandlung erhalten, wodurch die Notwendigkeit eines Krankenhausaufenthaltes vermieden wird“, so der Studienautor Professor Offer Amir.

Referenz:
ESC Pressemitteilung, 19. Juni 2020 European Society of Cardiology

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