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Dienstag, 22. August 2017 26° 1

Bionik

Auf der Suche nach dem perfekten Stich

Forscher haben den Mücken aufs Stechwerkzeug geschaut. Jetzt wissen sie, wie eine schmerzfreie Spritze gebaut sein muss.
Von Elisabeth Bedner

Eine Tigermücke bei ihrer blutigen Mahlzeit: Der Stachel durchbohrt die Haut, die schaftartige Unterlippe faltet sich weg, der Bauch füllt sich.Foto: Fotolia

Regensburg. Stechmücken sind lästige Biester, keine Frage. Aber nicht nur: Forscher lernen von ihnen, was Moskitos am besten können – schmerzfrei stechen. Bionik heißt die Fachrichtung der Wissenschaft, die sich Lösungen aus der Natur für Erfindungen in der Technik abguckt. Die schmerzfreie Spritze nach dem Vorbild aus der Natur ist ein Segen nicht nur für Menschen, die Angst vor Injektionen haben.

Wer schon beim Gedanken an einen Arztbesuch Schweißausbrüche bekommt und beim Blutabnehmen Gefahr läuft, ohnmächtig zu werden, kennt den Alptraum Spritzenangst. Etwa drei bis zehn Prozent der Bevölkerung leiden unter der sogenannten Trypanophobie, was so viel wie „Angst vor dem Stechen“ bedeutet. Manche fürchten sich so sehr vor Injektionen, dass sie sogar lebensrettende Therapien ablehnen. Dem zugrunde liegt eine tief sitzende Urangst vor Verletzungen. Menschen mit einer Spritzenphobie können sie nicht abschalten und reagieren deshalb auf Spritzen irrational und übersteigert. Neben einem Trauma durch schmerzhafte Behandlungen können auch allgemeine Ängstlichkeit und eine überdurchschnittlich hohe Schmerzempfindlichkeit Auslöser sein. Während sich die Psychologie darauf konzentriert, die Angst von Trypanophobikern mit Verhaltenstherapie zu behandeln, macht sich die Wissenschaft auf die Suche nach einer Möglichkeit, Injektionen schmerzfrei zu gestalten.

Den Stich nimmt man nicht wahr

Hier kommt nun die Stechmücke ins Spiel. Erst wenn sie schon längst wieder verschwunden ist und das von ihr abgegebene Sekret zum Flüssighalten des Blutes einen unangenehmen Juckreiz auslöst, wird der Stich wahrnehmbar. Aber zuvor spürt der Mensch so gut wie überhaupt nicht, wie ihr Stachel die Haut durchstößt. Diese Tatsache machten sich indische und japanische Forscher zunutze. Sie entwickelten nach dem Vorbild der Stechmücke eine Mikrospritze, die gar nicht wehtut – ein Segen für Menschen mit Spritzenangst.

Herkömmliche Spritzen sehen so aus: fast einen Millimeter dick und mit gleichbleibendem Durchmesser von Anfang bis Ende. Moskitostacheln dagegen sind viel dünner und verlaufen vorne zu einer noch feineren Spitze. Aber wie schaffen es die Insekten nur, mit so einen dünnen Gerät genug Blut zu transportieren?

Um das herauszufinden, haben Suman Chakraborty vom Indian Institute of Technology in Kharagpur und Kazuyoshi Tsuchiya von der japanischen Tokai University in Kanagawa Moskitos in ihrer Technik, Blut zu saugen, imitiert. Die Muskelbewegungen im Rüssel, mit denen die Insekten Blut aufnehmen, wurden durch eine elektrisch betriebene Pumpe am Ende der Nadel nachgestellt.

Bei der Computersimulation des Fließverhaltens in der Kanüle stellten sie fest, dass der Flüssigkeitsstrom bei einem geringeren Durchmesser der Nadel durch Kapillarkräfte unterstützt wird. Man kennt diese Kräfte zum Beispiel von Füllfederhaltern, bei denen Tinte von der Patrone in die Spitze vordringt. Oder von Bäumen, bei denen scheinbar wie von selbst Wasser von den Wurzeln bis in die Blätter transportiert wird.

Beängstigend dicke Nadeln

Daraufhin haben die Forscher dann feine Nadeln mit einem Gesamtdurchmesser von 0,1 bis 0,2 Millimetern entwickelt. Wegen ihres robusten Materials können sie die Haut drei Millimeter tief durchstechen – und weil sie so dünn sind, geschieht dies für den Patienten völlig schmerzfrei. Für Spritzenphobiker bedeutet das, dass ihnen zum einen der beängstigende Anblick einer dicken Nadel und zum anderen die Qual des schmerzhaften Einstichs erspart bleiben – der unliebsamen Mücke sei Dank.

Auch der Japaner Masayuki Okano hat den kleinen Blutsaugern genau aufs Mundwerkzeug geschaut. Er beobachtete, dass der Stachel bei Moskitos nicht zylindrisch wie bei normalen Nadeln, sondern konisch, wie ein Kegel geformt ist. Die Verengung der Nadel am Ende hemmt erstaunlicherweise den Fluss nicht, sondern bewirkt, dass die Flüssigkeit darin in eine wirbelförmige Bewegung gerät. Deshalb kann die Injektion genauso schnell wie bei konventionellen Nadeln erfolgen. Damit nahm er Kritikern das Argument, die Verabreichung eines Medikaments würde mit dieser Nadelform länger dauern. Er entwickelte außerdem das Produktionsverfahren, um aus superfeinem Stahlblech die konische Spitze zu formen, was die ultradünnen Nadeln schließlich für den Massenvertrieb tauglich machte. Die japanische Terumo Corporation produziert diese Nadeln, die vor allem für Diabetiker eine Erleichterung darstellen, seit 2005. Diese schmerzfreien Spritzen sind bis heute eines der meistverkauften Produkte, die in Anlehnung an die Natur entwickelt wurden.

Bionik – von der Natur lernen

Dass der Mensch die Natur als Vorbild für technische Entwicklungen nutzt, ist nicht neu. So dienten Vögel als Vorbild für die ersten Flugzeugbauer. Aus dem vom Zoologen Werner Nachtigall definierten „Lernen von der Natur als Anregung für eigenständig-technisches Gestalten“ hat sich in den vergangenen 50 Jahren eine wissenschaftliche Disziplin herausgebildet: die Bionik. Der Begriff setzt sich aus den beiden Wörtern „Biologie“ und „Technik“ zusammen. Forscher der Bionik betrachten Tiere und Pflanzen wie Ingenieure: Konstruktionen der Natur werden analysiert und dienen als Vorbild zur Entwicklung und Verbesserung von technischen Bauteilen, Materialien, Oberflächen, Robotern und Antriebssystemen, sowie von Ortungs- und Orientierungssystemen.

Die Möglichkeiten, die sich aus der Beobachtung der Natur heraus bieten, sind endlos, weshalb die Bionik zu den zukunftsträchtigsten wissenschaftlichen Disziplinen gehört. Sie ermöglicht eine andere Sicht auf die Welt, durch die wir sogar die sonst so lästige Stechmücke schätzen lernen.

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