Nanotechnologie Genauer operieren mit neuartigem Schallskalpell

Exakt operieren, ohne zu schneiden - das soll eine neuartige Linse ermöglichen, die Wissenschaftler in den USA entwickelt haben. Sie fokussiert Schallwellen genau und verstärkt sie.

Forscher in den USA haben eine Linse mit einer speziellen Beschichtung entwickelt, die Licht in genau gerichtete Ultraschallwellen umwandelt. Damit sollen nicht-invasive Operationen sehr viel präziser durchgeführt werden können als heute.

Mit Hilfe ihrer Linse haben die Forscher um Guo ein 150 Mikrometer kleines Loch in einen künstlichen Nierenstein gebohrt (Bild: Hyoung Won Baac)

Ausgangspunkt der Forscher um Jay Guo von der Universität des US-Bundesstaates Michigan in Ann-Arbor war eine optoakustische Linse, die Laserlicht in Ultraschallwellen wandelt. Sie ist so beschaffen, dass sie die Schallwellen auf ein sehr kleines Areal fokussiert. Die Forscher haben die Linse zudem mit Nanoröhrchen aus Kohlenstoff sowie mit einer Lage aus Polydimethylsiloxan beschichtet, einem Polymer auf Siliziumbasis. Diese doppelte Beschichtung dient als Verstärker: Die Nanoröhrchen absorbieren das Laserlicht und erwärmen sich. Das Polymer dehnt sich durch diese Wärme aus. Die schnelle Ausdehnung des Polymers verstärkt das Signal.

Werde die Linse mit einem gepulsten Laser gekoppelt, könne sie bisher nicht erreichte optoakustische Drücke von über 50 Megapascal erzeugen, schreiben die Forscher in der Fachzeitschrift Nature. Diese ließen sich auf einen 75 x 400 Mikrometer großen Fokuspunkt richten. Dort erzeugten sie Schockwellen und Kavitationen, ohne den Fokuspunkt zu erhitzen.

Einzelne Zellen treffen

Bei dieser Auflösung könnte es sogar möglich sein, schmerzfrei zu operieren: Guo vermutet, dass die Schallwellen so genau ausgerichtet werden könnten, dass keine Nervenzellen getroffen werden. Ihre Entwicklung könnte als "unsichtbares Messer für nicht-invasive Operationen" dienen, erklärt Guo. "Nichts dringt in den Körper ein, nur ein Ultraschallstrahl. Und der wird so genau fokussiert, dass man damit einzelne Zellen zerstören kann."

Ultraschall wird schon seit längerem für nicht-invasive Operationen eingesetzt. Ärzte zerstören mit den Schallwellen beispielsweise Nierensteine. Das Problem sei jedoch, dass die Wellen nur sehr ungenau fokussiert werden könnten, erklärt Hyoung Won Baac, ein ehemaliger Mitarbeiter Guos, der an dem Projekt beteiligt war. Der Fokuspunkt sei mehrere Millimeter groß. Das reiche aus, um Nierensteine zu zerstören. Empfindliche Blutgefäße, dünnes Gewebe oder Zellstrukturen damit anzuvisieren, sei jedoch schwierig. Das soll mit der neuen Linse gehen.