EP2139983A1

EP2139983A1 - Vorrichtung zum langsamen durchdringen einer biologischen barriere oder eines biologischen gewebes oder verbundes mit einem spitzen objekt

Info

Publication number: EP2139983A1
Application number: EP07785568A
Authority: EP
Inventors: Günter FUHR; Klaus Peter Koch; Wigand Poppendieck; Hagen Thielecke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-04-30
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2010-01-06
Also published as: DE102007020376A1; DE102007020376B4; WO2008131709A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchdringen einer biologischen Barriere oder eines biologischen Gewebes oder Verbundes, die mindestens ein Objekt (1) mit wenigstens einem vorderen spitzen Ende sowie zumindest einen Körper mit einer Dicke umfasst, die sich entweder von selbst oder durch äußere Beeinflussung mit der Zeit verringert. Der Körper ist so am Objekt (1) angeordnet, dass das spitze Ende des Objekts bei einem Andrücken gegen die Barriere oder das Gewebe oder den Verbund nahezu unabhängig vom Anpressdruck mit einer Geschwindigkeit in die Barriere oder das Gewebe oder den Verbund eindringt, die durch die Verringerung der Dicke des Körpers mit der Zeit bestimmt wird. Die Vorrichtung ermöglicht ein sehr langsames und damit gewebeschonendes Eindringen des Objekts.

Description

Vorrichtung zum langsamen Durchdringen einer biologischen Barriere oder eines biologischen Gewebes oder Verbundes mit einem spitzen Objekt

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchdringen einer biologischen Barriere oder eines biologischen Gewebes oder Verbundes, insbesondere für ein langsames, gewebeschonendes Eindringen eines spitzen Objekts durch eine biologische Membran. Eine derartige Vorrichtung kann beispielweise für die Implantation von Nadelelektroden in den Cortex eingesetzt werden, die mit geringst möglicher Zerstörung des Hirngewebes ablaufen soll .

Stand der Technik

Für die Stimulation und Ableitung von elektrischen Signalen in vivo ist die Implantation von geeigneten Elektrodensystemen in das biologische Gewebe erforderlich. Aus P. J. Rousche et al, „A method for pneumatically inserting an array of penetrating electrodes into cortical tissue" , Annais of Biomedical Engineering, Vol. 20, Seiten 413 bis 422, 1992, ist es bspw. bekannt, ein Nadelelektrodenarray mit Hilfe eines pneumati-schen Systems bei hoher Geschwindigkeit in den Cortex zu implantieren. Die hohen Geschwindigkeiten von > 8,3m/s sind erforderlich, um alle Elektroden des Arrays ausreichend tief ins Gewebe einzubringen, führen jedoch zu einer unerwünschten Zerstörung des Gewebes. R. Eckhorn et al, „A new method for the insertion of multiple microprobes into neural and muscular tissue, including fiber electrodes, fine wires, needles and microsensors", Journal of Neuroscience Methods, 49 (1993) , Seiten 175 bis 179, beschreiben ein Verfahren Implantation von feinen Faser- oder Nadelelektroden, bei denen diese getrennt voneinander mit einer mikromotorisch angetriebenen Vorrichtung mit Schrittweiten von 1 μm in das Gewebe eingebracht werden.

Ein Elektrodensystem zur Stimulation und Ableitung bioelektrischer Signale, bei dem sich die Elektroden im implantierten Zustand bewegen und nachjustieren lassen, wird von J. Muthuswany et al, „An Array of Micro- actuated Microelectrodes for Monitoring Single-Neuronal Activity in Rodents", IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 52, No. 8, August 2005, Seiten 1470 bis 1477 beschrieben. Dieses Elektrodensystem nutzt thermisch basierte Mikroaktoren zur Bewegung der

Elektroden. Die Bewegung erfolgt nicht kontinuierlich, sondern schrittweise mit Schrittweiden von 8,8 μm.

Aus der DE 10 2004 053 596 Al ist ein Verfahren zur zeilschonenden Manipulation einzelner Zellen bekannt, bei dem eine Zellschädigung durch eine sehr langsame Manipulationsgeschwindigkeit vermieden wird. Den Zellen wird bei der Manipulation genügend Zeit gegeben, sich neu zu ordnen, so dass eine ZeIl- Schädigung umgangen werden kann. Das Manipulations- werkzeug wird bei dieser Druckschrift mit einem piezoelektrischen Antrieb oder einem Magnetantrieb vorge- trieben, der eine Einstellung der langsamen Vortriebgeschwindigkeit ermöglicht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum langsamen Durchdringen einer biologischen Barriere oder eines biologischen Gewebes oder Verbundes anzugeben, die sich mit geringerem Steuerungsaufwand realisieren lässt.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst mindestens ein Objekt mit wenigstens einem vorderen spitzen Ende sowie zumindest einen Körper mit einer Dicke umfasst, die sich entweder von selbst oder durch äußere Beeinflussung mit der Zeit verringert, wobei der Körper so am Objekt angeordnet ist, dass das spitze Ende des Objekts bei einem Andrücken gegen die Barriere oder das Gewebe oder den Verbund mit einer Geschwindigkeit in die Barriere oder das Gewebe oder den Verbund eindringt, die durch die Verringerung der Dicke des Körpers mit der Zeit bestimmt wird. Die Eindringgeschwindigkeit lässt sich dabei nicht wesentlich über den Anpressdruck steuern, sondern wird vor allem durch die Geschwindigkeit der Änderung der Dicke des Körpers bestimmt, die zumindest nahezu unabhängig vom Anpress- druck ist. - A -

Vorzugsweise besteht der Körper dabei aus einem Material mit von außen beeinflussbaren Material- eigenschaften, das eine Verringerung der Dicke des Körpers mit der Zeit durch Beeinflussung der Material- eigenschaften ermöglicht. Das spitze Ende des Objekts dringt dann bei einem Andrücken gegen die Barriere oder das Gewebe oder den Verbund, beispielsweise einen Zellverbund, und gleichzeitiger Beeinflussung der Materialeigenschaften des Materials zur Verringerung der Dicke des Körpers mit der entsprechenden

Geschwindigkeit in die Barriere oder das Gewebe oder den Verbund ein.

Der Einsatz der vorliegenden Vorrichtung erfordert keine spezielle Antriebseinrichtung, mit der sehr langsame Bewegungsgeschwindigkeiten mit hoher Genauigkeit erzielt werden müssen. Vielmehr muss beim Einsatz der vorliegenden Vorrichtung das Objekt lediglich über längere Zeit gegen die zu durchdringende biologische Barriere oder das biologische Gewebe oder den biologischen Verbund gedrückt werden. Dies kann mit beliebigen Mitteln erfolgen. Alternativ kann in einer Ausgestaltung der Vorrichtung auch die biologische Barriere oder das biologische Gewebe oder der bio- logische Verbund einen entsprechenden Druck auf den

Körper ausüben. Hierbei ist eine dem spitzen Ende des Objekts gegenüberliegende Aufnahmefläche des Körpers für die Druckkraft von Vorteil, die zur Querschnitts- fläche des spitzen Endes ein Flächenverhältnis von zumindest 10:1, vorzugsweise > 100:1, besonders bevorzugt > 1000:1 aufweisen sollte. Das spitze Objekt durchdringt beim Anpressen an die biologische Barriere oder das Gewebe oder den Verbund diese mit einer Geschwindigkeit, mit der sich die Dicke des Körpers, verursacht durch äußere Beeinflussung der Materialeigenschaften des Materials des Körpers, verringert. Bei Wahl eines bioabbaubaren Materials wird dies durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der das Material in Kontakt mit der Barriere oder dem Gewebe oder dem Verbund abgebaut wird. Durch definierte Wahl des bioabbaubaren Materials in

Abhängigkeit von den Eigenschaften der biologischen Barriere oder des biologischen Gewebes oder Verbundes kann über die Abbauzeit die Geschwindigkeit eingestellt werden, mit der das Objekt die biologische Barriere bzw. das biologische Gewebe oder den biologischen Verbund durchdringt. Vorzugsweise wird ein bioab- baubares Material genutzt, das einen gerichteten Abbau ermöglicht. Unter einem gerichteten Abbau wird hierbei verstanden, dass sich der Körper bei Kontakt mit der biologischen Barriere oder dem biologischen Gewebe oder Verbund nicht gleichzeitig im gesamten Volumen sondern hauptsächlich von der Kontaktfläche her abbaut.

In gleicher Weise kann durch Wahl eines anderen geeigneten Materials ebenfalls die Geschwindigkeit vorgegeben werden, mit der das Objekt die biologische Barriere bzw. das biologische Gewebe oder den biologischen Verbund durchdringt. Diese Geschwindigkeit lässt bei vielen geeigneten Materialien auch über die gezielte äußere Beeinflussung der Materialeigenschaften des Materials steuern. Vorzugsweise wird das Material des Körpers so gewählt, dass sich eine Eindringgeschwindigkeit zwischen 0,1 μm/h und 500 μm/h, besonders bevorzugt zwischen 1 μm/h und 100 μm/h, erreichen lässt. Durch das entsprechend langsame Eindringen in die biologischen Zellverbände werden Gewebeschädigungen beim Eindringen minimiert oder verhindert .

Bei dem Material für den Körper handelt es sich vorzugsweise um mit der Zeit abbaubare, schrumpfende oder sich verflüchtigende Materialien. Hierbei kann es sich um unterschiedliche Materialklassen handeln. Beispiele für derartige Materialklassen sind:

- bioabbaubare Materialien hydrierbare oder dehydrierbare Materialien SoI -Gel-Übergänge chemisch wandelbare Materialien (z.B. Ausgasen) Polymere mit veränderbarem Polymerisierungsgrad - Materialien mit veränderbaren Elastizitätsmodul

(z.B. Formgedächtnismaterialien) Materialien mit veränderbarer mechanischer Stabilität (z.B. poröse, schwammartige Strukturen) - biologische Materialien flüssige oder gasförmige Materialien.

Zur Steuerung der Materialeigenschaften, insbesondere zum Schwellen oder Schrumpfen der Materialien, können beispielsweise folgende Mechanismen zum Einsatz kommen:

Erhitzung Entweichen der Materialien über Öffnungen - Beeinflussung über die chemische Umgebung Initiieren eines chemischen Prozesses durch Licht, Chemikalien, Temperatur, Spannung (schichtweise) oder Ultraschall mechanische Veränderung oder Zerstörung poröser

Materialien durch Ultraschall

Änderung des Elastizitätsmoduls (z.B. bei

Formgedächtnismaterialien) - Einsatz von biologischem Material, bspw. von körpereigenen Materialien, die wachsen oder degenerieren, wie Knochen/Muskelgewebe, Wachstum über Belastung, Zellbewegung (Abwandern) , Anlocken von Zellen in vorhandene Strukturen, Einsatz von biochemischen Elementen (künstlicher Muskel)

Eine weitere Möglichkeit des gesteuerten Eindringens der ein oder mehreren vorzugsweise nadel- förmigen Objekte besteht darin, dass ein Balg oder

Schlauch, bspw. anstelle der Verwendung von Piezo- elementen, eingesetzt wird. Der Balg oder Schlauch wird mit Flüssigkeit oder Gas gefüllt, das bspw. durch die permeable Wand des Balgs oder Schlauchs diffundieren kann. So kann bspw. DI-Wasser aufgrund des osmotischen Druckgefälles durch die Wand diffundieren, wodurch das Volumen und somit die Dicke des Balgs oder Schlauchs geringer wird und sich die Nadeln in das Gewebe oder den Verbund bewegen. Auch hier ist eine Steuerung bzw. eine Umkehrung der Bewegung möglich.

In einer weiteren Variante ist das schrumpfende oder quellende Material mit einer dünnen Schutzschicht, bspw. einer Goldschicht, überzogen. Wird über diese Schutzschicht ein Potential angelegt, löst sich die Schicht bei geeigneter Materialwahl auf, so dass hierdurch der Schrumpfungs/Quellungsprozess initiiert werden kann. Das Potential wird vorzugsweise so angelegt, dass eine Potentialdifferenz zwischen der Außenseite und der Innenseite der Schicht besteht.

Das spitze Ende des Objekts hat vorzugsweise einen Durchmesser an der Spitze, der < 200μm, besser < lOμm, besonders bevorzugt < lμm beträgt . Der an der Vorderseite vorzugsweise stumpfe Körper hat dann an der Vorderseite einen gegenüber der Spitze größeren Durchmesser.

In einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist das Objekt von der Spitze ausgehend bis zu einer Länge in den Körper eingebettet, die zumindest der beabsichtigten Eindringtiefe des Objekts in den bio- logischen Zellverbund entspricht. Die Form des Körpers aus bioabbaubarem Material ist dabei unerheblich, solange die Vorderseite dieses Körpers, mit der der Körper gegen die biologische Barriere oder das biologische Gewebe oder den Verbund gedrückt wird, nicht spitz oder scharf ausgebildet ist. Die

Vorderseite kann im Bereich der Spitze des Objekts bspw. eben oder abgerundet sein. Der Körper kann hierbei bspw. die Form einer Platte oder eines Zylinders aufweisen.

Das Objekt selbst kann bspw. Elektrodenkontakte für eine Stimulation oder Ableitung bioelektrischer Signale aus dem Gewebe aufweisen. Auch andere - S -

Ausgestaltungen, bspw. als Kapillarröhrchen sind selbstverständlich möglich. Die jeweilige Ausgestaltung hängt nur von der Anwendung ab, aufgrund der das Objekt die biologische Barriere oder das biologische Gewebe oder den biologischen Verbund durchdringen soll.

Selbstverständlich lassen sich auch mehrere Objekte, auch in zusammenhängender Form, in den biologisch abbaubaren Körper einbetten. Auf diese Weise lässt sich bspw. auch ein Array aus Nadelelektroden gewebeschonend in den Cortex implantieren.

Die für das Eindringen des Objekts erforderliche Kraft, mit der das Objekt gegen die biologische Barriere oder das biologische Gewebe oder den biologischen Verbund (oder umgekehrt) gedrückt werden muss, lässt sich entweder experimentell vorab bestimmen oder aus ggf. bekannten Untersuchungen ableiten. So beschreiben bspw. M. A. Howard et al . , „Measurement of the Force Required to Move a Neurosurgical Probe Through in vivo Human Brain Tissue", IEEE Transactions on Biomedical Engineering 46, No. 7, JuIy 1999, Seiten 891 - 894, eine Messung der Kräfte, die für das Eindringen von Objekten in den Cortex erforderlich sind.

In einer Ausgestaltung der Vorrichtung liegt das Objekt mit seiner Rückseite an einem Substrat an, auf dem der Körper als Schicht aufgebracht ist. Das Objekt ist dabei vollständig in die Schicht bzw. den Körper eingebettet. Die für das Durchdringen der biologischen

Barriere oder des biologischen Gewebes oder Verbundes mit dem Objekt erforderliche Kraft wird hierbei über das Substrat auf das Objekt und den Körper ausgeübt. Bei zahlreichen Ausgestaltungen der Vorrichtung schließt die Spitze des Objekts vorzugsweise bündig mit der Vorderseite des Körpers ab. Dies ist selbst- verständlich nicht in jedem Falle erforderlich.

Verbleibt eine Materialschicht zwischen der Spitze des Objekts und der Vorderseite des Körpers, so beginnt der Eindringvorgang erst nach Abbau dieser Schicht. Weiterhin kann zwischen dem Körper und der Barriere oder dem Gewebe oder Verbund auch eine Lochplatte mit ein oder mehreren Öffnungen liegen, durch die die ein oder mehreren Spitzen des Objekts in die Barriere oder das Gewebe oder den Verbund eindringen.

In einer weiteren Ausgestaltung, bei der der

Körper aus einem abbaubaren Material gebildet ist, sind in den Körper bioreaktive Stoffe eingelagert, die mit dem Abbau des Körpers freigesetzt werden. Hierbei kann es sich insbesondere um Medikamente handeln, die bspw. Entzündungsreaktionen im Gewebe lindern oder hemmen oder die die Zellhaftung der Gewebezellen zueinander verringern, um das Eindringen in das Gewebe zu erleichtern.

In einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen

Vorrichtung ist das Objekt vollständig in den Körper eingebettet, wobei die Rückseite des Objekts von der rückseitigen Begrenzung des Körpers beabstandet ist. Dies ermöglicht eine vollständige Implantation des Objekts in das biologische Gewebe, bspw. den Cortex.

Die vollständige Implantation ist abgeschlossen, sobald das Material bis zur Rückseite des Körpers abgebaut oder geschrumpft ist. Bis zu diesem Zeitpunkt wird der Körper mit der entsprechenden Kraft gegen die biologische Barriere oder das biologische Gewebe oder den biologischen Verbund gedrückt oder die biologische Barriere bzw. das biologische Gewebe oder der biologische Verbund übt einen Druck auf den Körper aus,

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorgeschlagene Vorrichtung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche festgelegten Schutzbereichs nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung vor dem Durchdringen einer biologischen Barriere bzw. eines biologischen Gewebes oder Verbundes;

Fig. 2 die Vorrichtung gemäß Figur 1 nach einem teilweisen Eindringen in biologisches Gewebe;

Fig. 3 die Vorrichtung der Figur 1 nach dem kompletten Eindringen des Objekts;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung vor dem Eindringen des Objekts,-

Fig. 5 die Vorrichtung der Figur 4 nach dem vollständigen Eindringen des Objekts in das biologische Gewebe; Fig. 6 die Vorrichtung der Figur 4 nach dem vollständigen Abbau des bioabbaubaren Materials;

Fig. 7 ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung;

Fig. 8 ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung;

Fig. 9 ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung;

Fig. 10 ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung;

Fig. 11 ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung;

Fig. 12 ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung;

Fig. 13 ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung; und

Fig. 14 ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung.

Wege zur Ausführung der Erfindung Bei der Implantation von Objekten in biologisches Gewebe, bspw. bei der in vivo Implantation von Nadel- elektroden in den Cortex, muss das Objekt durch eine biologische Barriere bzw. biologisches Gewebe oder einen biologischen Verbund eindringen. Bei dem Eindringen kommt es in der Regel zur Zerstörung von biologischen Zellen, da das eindringende Objekt die Zellmembran durchdringt oder zerreißt . Eine Zerstörung kann vermieden werden, wenn die Geschwindigkeit der Eindringbewegung ausreichend gering ist, insbesondere kleiner als die Umordnungsgeschwindigkeit des Zytoskeletts der Zellen an der biologischen Barriere. Dies ist bei einzelnen Zellen für Geschwindigkeiten von <300 μm/h der Fall.

Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung wird die geringe Geschwindigkeit in einer Ausgestaltung durch die Verwendung eines bioabbaubaren Materials, insbesondere eines biodegradierbaren Polymers eingestellt. Dabei ist das Objekt zunächst in das biodegradierbare Polymer eingebettet . Dieser Verbund wird unter Anwendung einer Vorspannung bzw. Kraft gegen das biologische Gewebe bzw. den biologischen Verbund oder die biologische Barriere gedrückt. Das Polymer degradiert von der Oberfläche aus, wobei das eingebettete Objekt nach und nach freigesetzt wird. Aufgrund der Vorspannung bzw. der aufgewendeten Kraft dringt es dabei sehr langsam in das Gewebe ein. Nach vollständigem Abbau des Polymers hat das Objekt seine Endposition im Gewebe erreicht.

Die Figuren 10 bis 14 zeigen weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten, bei denen andere Materialien mit von außen beeinflussbaren Materialeigenschaften eingesetzt werden, über die sich eine geringe Eindringgeschwindigkeit des Objekts erreichen lässt. Figur 1 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung in schematischer Darstellung. Das in diesem Beispiel nadeiförmige Objekt 1, das in das biologische Gewebe 2 bzw. den biologischen Verbund oder die biologische Barriere eindringen soll, ist zunächst vollständig in eine Schicht 3 aus dem degradierbaren Polymer eingebettet. Das nadeiförmige Objekt 1 ist an einem Substrat 4 aus nicht degradierbarem Material befestigt. Über dieses Substrat 4 wird eine Druckkraft 5 auf das nadeiförmige Objekt 1 und die degradierbare Polymerschicht 3 übertragen.

Durch Wahl eines degradierbaren Polymers, das von der Oberfläche in Kontakt mit der biologischen Barriere her degradiert, wird das Material an der Grenzfläche zwischen der Polymerschicht 3 und dem biologischen Gewebe 2 mit der Zeit aufgelöst. Dabei wird das nadeiförmige Objekt 1 langsam freigelegt und dringt unter Einwirkung der Druckkraft 5 in das biologische Gewebe 2 ein. Da die Degradation des Polymers sehr langsam erfolgt, ist die Eindringgeschwindigkeit des nadeiförmigen Objekts 1 so langsam, dass sie unterhalb der Umordnungsgeschwindigkeit des Zytoskeletts der Zellen an der biologischen Barriere liegt, wodurch die Schädigung der Zellen minimiert wird. Ein geeignetes degradierbares Polymer ist bspw. Polyorthoester .

Figur 2 zeigt hierzu einen Zwischenzustand, bei dem bereits eine dünne Schicht des bioabbaubaren Polymers abgebaut und das nadeiförmige Objekt 1 teilweise in das biologische Gewebe 2 eingedrungen ist. Figur 3 stellt den Endzustand dar, bei dem das Polymer vollständig degradiert ist, so dass das nadeiförmige Objekt 1 zu diesem Zeitpunkt vollständig in das biologische Gewebe 2 eingedrungen ist.

Figur 4 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltungsmöglichkeit der vorgeschlagenen Vorrichtung in schematischer Darstellung. Das nadeiförmige Objekt 1 ist hierbei ebenfalls vollständig in die Schicht 3 aus dem bioabbaubaren Polymer eingebettet, wobei zwischen der rückseitigen Begrenzungsfläche des Polymerkörpers und der Rückseite des nadeiförmigen Objekts 1 ein Abstand besteht. Durch diesen Abstand befindet sich noch bioabbaubares Material hinter dem nadeiförmigen Objekt 1. Mit einer derartigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann das nadeiförmige Objekt 1 die biologische Barriere vollständig durchdringen und hinter sich wieder verschließen, wie in den Figuren 5 und 6 dargestellt ist .

Das nadeiförmige Objekt 1 kann hierbei bspw. aus einem bioabbaubaren Material bestehen, in das bioreaktive Materialien, insbesondere Medikamente, eingelagert sind. Diese Medikamente werden dann mit dem Abbau des bioabbaubaren Materials freigesetzt. Das bioabbaubare Material des nadeiförmigen Objekts 1 ist dabei selbstverständlich so gewählt, dass es sich langsamer abbaut als das bioabbaubare Material 3 des Körpers, in das das nadeiförmige Objekt 1 zunächst eingebettet ist.

Auch hier wird auf den Körper bzw. die Schicht 3 aus bioabbaubarem Polymer und somit auf das nadel- förmige Objekt 1 eine Kraft 5 ausgeübt, mit der der Körper bzw. das nadeiförmige Objekt 1 gegen das biologische Gewebe 2 gedrückt wird. Nach dem Abbau des bioabbaubaren Polymers bis zu einer Dicke, die die Länge des nadeiförmigen Objekts 1 übersteigt, ist das nadeiförmige Objekt 1 vollständig in das Gewebe 2 eingedrungen, wie aus Figur 5 ersichtlich ist. Das degradierbare Material unmittelbar hinter dem rückseitigen Ende des nadeiförmigen Objekts 1 baut sich dabei von der Seite her ebenfalls mit der Zeit ab, so dass sich die Öffnung im Gewebe 2 langsam wieder verschließt. Figur 6 zeigt den Endzustand, bei dem das Polymer vollständig degradiert ist, so dass das nadeiförmige Objekt 1 hier vollständig im biologischen Gewebe 2 implantiert ist.

Die Ausgestaltungen der vorangegangenen Figuren zeigen jeweils ein Substrat 4 hinter dem Körper bzw. der Schicht 3 aus bioabbaubarem Polymer. Dies ist nicht unbedingt erforderlich. Vielmehr lässt sich die Druckkraft 5 auch direkt auf den Körper aus bioabbaubarem Polymer oder das nadeiförmige Objekt ausüben. Dies kann über das biologische Gewebe selbst oder bspw. auch über einen Stempel 7 erfolgen, wie er in der Figur 7 schematisch dargestellt ist. In diesem Beispiel ist der Körper 3 aus bioabbaubarem Material zylinderförmig ausgebildet und wird in einer Führungshülse 6 geführt. Die Führungshülse 6 ist in diesem Beispiel an der dem Gewebe zugewandten Seite verbreitert und liegt auf dem Gewebe 2 auf. Durch

Ausüben einer Kraft 5 auf den Stempel 7 wird auch hier das nadeiförmige Objekt 1 mit der Geschwindigkeit des Abbaus des bioabbaubaren Polymers langsam in das Gewebe 2 eingedrückt .

Der Körper aus bioabbaubarem Material kann in einer weiteren Ausgestaltung auch bspw. kugelförmig ausgebildet sein, wobei mehrere in radialer Richtung ausgerichtete nadeiförmige Objekte in den Körper eingebettet sind. Der Durchmesser des Körpers kann in einer derartigen Ausgestaltung bspw. < 50μm betragen. Ein oder mehrere dieser Körper werden dann in das biologische Gewebe eingebracht, bspw. eingespritzt. Durch den über das Gewebe auf die Körper ausgeübten Druck baut sich das bioabbaubare Material der Körper ab und die nadeiförmigen Objekte dringen langsam durch die Zellmembrane der benachbarten Zellen. Die nadeiförmigen Objekte müssen dabei kleiner als die Zellen dimensioniert sein. Mit einer derartigen Vorgehensweise lassen sich bspw. Stoffe in einzelne Zellen einbringen.

Figur 8 zeigt ein weiteres Beispiel für die vorgeschlagene Vorrichtung, bei der das nadeiförmige Objekt oder Instrument, hier eine Elektrodenstruktur 13, über eine Manschette aus einer starren Kapsel 11, die über Schrauben definiert festgezogen und auch nachgezogen werden kann, in der gewünschten Position gehalten wird. Mit dieser Vorrichtung können Elektroden oder andere Instrumente in lebendes Gewebe 16, hier ein menschliches Bein, eingebracht werden. Die Elektrodenstruktur 13 ist in eine definiert schrumpfende oder sich mit der Zeit auflösende Masse 14 aus einem geeignet veränderlichen Material, vergleichbar dem Körper 3 der vorangehenden Figuren, eingebettet. Über die elastische Schicht 12, die auch aus einem federnden Materialsystem bestehen kann, wird eine konstante Kraft auf die Elektrodenstruktur 13 ausgeübt, die durch die Manschette über Tage oder Wochen in exakter Position gehalten wird. Der innere Teil der Vorrichtung, d. h. die schrumpfende oder sich auflösende Masse 14 und mit der Elektrodenstruktur 13 kann zusätzlich durch mechanische Seitenelemente 15 stabilisiert und in Position gehalten werden.

Figur 9 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung. Auch diese Vorrichtung kann auf ein Gewebe 23, bspw. die Oberfläche eines Organismus, aufgesetzt werden, um das Elektrodensystem 21 durch Schrumpfen oder Verschwinden des veränderlichen Materials des Körpers 22 in das Gewebe 23 des Organismus eindringen zu lassen. Zur Erzeugung einer konstanten Andruckkraft auf die Elektrodenstruktur 21 und das Material 22 dient das elastische Material 24 oder ein anderes deformierbares System. Mit dem Elektrodensystem 21 sind Maßstäbe 26 fest verbunden, an denen sich von außen ablesen lässt, wie weit das Elektrodensystem 21 bereits in das Gewebe 23 eingedrungen ist. Zur Konstanthaltung des Abstandes dient ein starres Auflagesystem 27, das durch eine Auflageplatte 25, die auch eine gekrümmte geometrische Form haben kann, ergänzt wird. Eine starre Umhüllung 28 hält die Vorrichtung in einer exakten Position.

Figur 10 zeigt ein Beispiel, bei dem eine Elek- trodenstruktur 31 mit unterschiedlich ausgestalteten nadeiförmigen Elektroden in ein Gewebe gedrückt wird. Die Elektrodenstruktur 31 wird dabei mit einer asymmetrischen Auflagekraft F in das Gewebe 34 eingedrückt . Der Eindringvorgang erfolgt durch die Verringerung der Dicke des Materials 32 sehr langsam, im Bereich von 1 bis 100 μm/h. Handelt es sich bei dem Material 32 bspw. um ein Gel, das durch Wasserentzug schrumpft, so kann dieser Prozess über Heizelemente 33 gesteuert werden, die um den Körper aus dem Material 32 angeordnet sind. Öffnungen 35 erlauben den Austritt von Wasser oder Wasserdampf aus dem ansonsten dicht umhüllten Gel 32. Alternativ können an Stelle der Heizelemente 33 auch Elemente vorgesehen sein, die den ph-Wert des Gels ändern oder passive Materialien, die dem Gel Wasser entziehen. Auch eine umgekehrte Reaktion, d. h. das Quellen des Gels, ist möglich, wenn Feuchtigkeitsdepots an dieser Stelle angebracht werden.

Figur 11 zeigt um Ausschnitt ein Beispiel für eine Vorrichtung, die ähnlich der Vorrichtung der Figur 10 arbeitet . Das sich verändernde Material ist hierbei durch Piezostellkörper 44 ersetzt. An einer vorderseitig angeordneten Lochplatte 42 werden die

Elektroden 41 in das Gewebe 45 eingebracht, indem die Stellelemente 44 gesteuert bewegt werden. Über die Variation der Spannung U an den Stellelementen 44 können die Elektroden 41 sowohl in das Gewebe 45 hinein als auch mit Nanometer-Genauigkeit aus dem Gewebe 45 herausgefahren werden. Die Halterung und die Einrichtung zur Ortspositionierung des Gesamtsystems sind in der Figur nicht dargestellt.

Figur 12 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung. Die nadeiförmigen Objekte 51 in dem quellenden bzw. schrumpfenden Material 52 sind hierbei in ein Gehäuse 58 eingebracht, das an einer Seite eine Lochplatte 53 für den Durchtritt der nadeiförmigen Objekte 51 aufweist. Das Gehäuse weist Einfüllstutzen 56 und Ablassstutzen 57 für eine Flüssigkeit oder ein Gas 510 auf. An der Rückseite der nadeiförmigen Objekte 51 sind jeweils elastische Körper 59 angeordnet, die sich an der Innenseite des Gehäuses 58 abstützen und die nadelförmigen Objekte 51 mit einer Kraft in Richtung der Löcher der Lochplatte 53 beaufschlagt . Über den Einfüllstutzen 56 wird eine Flüssigkeit oder ein Gas

510 in das Gehäuse 58 eingebracht. Die Flüssigkeit oder das Gas 510 kann über den Einfüllstutzen 56 und den Ablassstutzen 57 verändert werden. Dies ermöglicht eine steuerbare Quellung oder Schrumpfung des Materials 52 durch geeignete Wahl oder Änderung der Flüssigkeit bzw. des Gases, wodurch sich die spitzen Objekte 51 durch die Lochplatte 53 hindurch langsam in das Gewebe 54 hineinbewegen. Die Lochplatte 53 sorgt dabei für eine bessere Führung der Spitzen der nadeiförmigen Objekte 51. Die zusätzlichen Öffnungen 55 ermöglichen eine bessere Kontaktierung zwischen dem Gas oder der Flüssigkeit 510 und dem Material 52. Die Quellung oder Schrumpfung des Materials 52 kann dabei bspw. durch ein osmotisches Druckgefälle zwischen dem Material 52 und der Flüssigkeit bzw. dem Gas 510 erzielt werden. So wird etwa bei geeigneter Wahl des Materials 52, z. B. einem Hydrogel, und Einfüllen von DI -Wasser als Flüssigkeit 510, das Material 52 Wasser aufnehmen und somit sein Volumen vergrößern. Der umgekehrte Fall ergibt sich bei Verwendung einer stark salzhaltigen Lösung als Flüssigkeit 510. Figur 13 zeigt ein weiteres Beispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Vorrichtung umfasst zwei Elektroden 63, 64 beidseitig des im Volumen bzw. der Dicke steuerbaren Material- körpers 62. Durch das Anlegen einer elektrischen

Spannung zwischen den Elektroden 63 und 64 kann der Umwandlungsprozess die Dicke bzw. den Abstand definierenden Materials 62 gesteuert werden. Hierdurch können die spitzen Objekte 61 unter zusätzlicher Einwirkung einer Druckkraft 66 langsam in das Gewebe 65 hineingedrückt oder aus diesem herausgezogen werden. Durch Strukturierung der Elektroden 63, 64 (in der Figur beispielhaft separat für die Elektrode 64a gezeigt) lassen sich lokale Feldstärkeerhöhungen erzielen. Hierdurch ist eine schichtweise Beeinflussung des Materials 62 möglich. Durch Kanäle in den Elektroden, vgl. beispielhaft Elektrode 64b, kann das Material 62 ggf. abfließen.

Figur 14 zeigt eine weitere Ausgestaltungs- möglichkeit der vorgeschlagenen Vorrichtung. Bei dieser Ausgestaltung sind die Spitzen des Objekts 71 nicht in den Körper aus veränderlichem Material 72 eingebettet. Vielmehr wird das Objekt 71 hierbei lediglich durch diesen Körper, der im vorliegenden Beispiel seitlich angeordnet ist, abgestützt. In diesem Beispiel, bei dem das Objekt 71 mit den Spitzen wiederum in einem Gehäuse mit einer Lochplatte 73 für den Durchtritt angeordnet sind, ist das veränderliche Material 72 ein Material mit veränderlichem Elastizitätsmodul, bspw. ein Formgedächtnismaterial. Dieses den Abstand definierende Material ermöglicht durch Änderung des Elastizitätsmoduls, bspw. in Folge einer Temperaturänderung, dass die Spitzen des Objekts 71 unter Einwirkung einer durch ein elastisches Material 74 hervorgerufenen Kraft durch die Lochplatte 73 langsam in das Gewebe 75 hineingedrückt oder auch wieder herausgezogen werden können.

Bei Ausgestaltung des nadeiförmigen Objekts 1 als Röhrchen (Mikropipette) , das in das Gewebe eingeführt wird und dort verbleibt, wird ein künstlicher Kanal geschaffen, der bspw. zum Ein- und Ausleiten von Flüssigkeiten durch die Membran verwendet werden kann. Das nadeiförmige Objekt 1 kann auch Elektrodenkontakte tragen, die z. B. zur Stimulation und Signalableitung in Nervenzellen eingesetzt werden können. Weiterhin ist bei entsprechender Ausgestaltung des nadelfδrmigen Objekts auch ein Einsatz im Bereich der Mikrofluidik möglich. Dies ist selbstverständlich keine abschließende Aufzählung der Möglichkeiten. Die Funktion des Objektes, das nicht in jedem Falle nadeiförmig ausgestaltet sein muss, kann vielmehr beliebig gewählt werden, da das mit der vorgeschlagenen Vorrichtung möglichst gewebeschonende Eindringen nicht von dieser Funktion des Objekts abhängt.

Die Vorrichtung lässt sich auch zum Durchdringen einer biologischen Barriere oder eines biologischen

Gewebes oder Verbundes außerhalb des menschlichen oder tierischen Körpers, bspw. in Zellkulturen einsetzen.

Die vorgeschlagenen Vorrichtung ist selbst- verständlich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele begrenzt. So lassen sich bspw. auch die in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Ausführungs- beispielen angeführten Merkmale in anderer Weise miteinander kombinieren.

Bezugszeichenliste

1 nadeiförmiges Objekt 2 biologisches Gewebe bzw. biologische Barriere oder biologischer Verbund

3 Schicht bzw. Körper aus z.B. bioabbaubarem Polymer

4 Substrat

5 Kraft 6 Führungshülse

7 Stempel

11 starre Kapsel einer Manschette

12 elastische Schicht

13 Elektrodenstruktur 14 Masse aus veränderlichem Material

15 mechanische Seitenelemente

16 lebendes Gewebe

21 Elektrodensystem

22 Körper aus veränderlichem Material 23 Gewebe bzw. biologische Barriere oder biologischer Verbund

24 elastisches Material

25 Auflageplatte

26 Maßstab 27 Auflagesystem

28 starre Umhüllung

31 Elektrodenstruktur

32 veränderliches Material

33 Heizelemente 34 Gewebe bzw. biologische Barriere oder biologischer

Verbund

35 Durchgangsöffnungen

41 Elektroden 42 Lochplatte

44 Piezostellkörper

45 Gewebe bzw. biologische Barriere oder biologischer Verbund 51 nadeiförmiges Objekt

52 veränderliches Material

53 Lochplatte

54 Gewebe bzw. biologische Barriere oder biologischer Verbund 55 Öffnungen

56 Einfüllstutzen

57 Ablassstutzen

58 Gehäuse

59 elastischer Körper 510 Flüssigkeit oder Gas

61 Objekt mit Spitzen

62 veränderliches Material

63 Elektrode

64 Elektrode 65 Gewebe bzw. biologische Barriere oder biologischer

Verbund

66 Druckkraft

64a strukturierte Elektrode

64b strukturierte Elektrode mit Kanälen 71 Objekt mit Spitzen und Halter

72 veränderliches Material

73 Kammer mit Lochplatte

74 elastisches Material

75 Gewebe bzw. biologische Barriere oder biologischer Verbund

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Durchdringen einer biologischen Barriere oder eines biologischen Gewebes oder Verbundes, die mindestens ein Objekt (1) mit wenigstens einem vorderen spitzen Ende sowie zumindest einen Körper mit einer Dicke umfasst, die sich entweder von selbst oder durch äußere Beeinflussung mit der Zeit verringert, wobei der Körper so am Objekt (1) angeordnet ist, dass das spitze Ende des Objekts bei einem

Andrücken gegen die Barriere oder das Gewebe oder den Verbund nahezu unabhängig vom Anpressdruck mit einer Geschwindigkeit in die Barriere oder das Gewebe oder den Verbund eindringt, die durch die Verringerung der Dicke des Körpers mit der Zeit bestimmt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Körper aus einem Material mit von außen beeinflussbaren Materialeigenschaften gebildet ist, das eine Verringerung der Dicke des Körpers mit der Zeit durch Beeinflussung der Materialeigenschaften ermöglicht .

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Material so ausgewählt ist, dass durch die Beeinflussung der Materialeigenschaften des Materials von außen eine Verringerung der Dicke des Körpers mit einer Geschwindigkeit von < 500 μm/h möglich ist .

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 , bei der das Material so ausgewählt ist, dass durch die Beeinflussung der Materialeigenschaften des

Materials von außen eine Verringerung der Dicke des Körpers mit einer Geschwindigkeit von ≤ 100 μm/h möglich ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Körper so ausgewählt ist, dass eine Verringerung der Dicke des Körpers mit einer Geschwindigkeit von < 500 μm/h möglich ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der Körper so ausgewählt ist, dass eine Verringerung der Dicke des Körpers mit einer Geschwindigkeit von ≤ 100 μm/h möglich ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Körper so ausgebildet ist, dass er auch eine Vergrößerung der Dicke mit der Zeit durch äußere Beeinflussung ermöglicht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Objekt zumindest im Bereich des spitzen Endes in den Körper eingebettet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 , bei der das Objekt (1) vollständig in den Körper eingebettet ist, wobei zwischen einem hinteren Ende des Objekts (1) und einer hinteren Begrenzung des Körpers ein Abstand besteht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Körper einen Abstandshalter zwischen der Barriere oder dem Gewebe oder Verbund und einem hinteren Bereich des Objekts bildet.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der das Objekt (1) mit dem hinteren Ende an einem Substrat (4) anliegt.

12. Vorrichtung nach 11, bei der der Körper als Schicht auf dem Substrat (4) ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, die zusätzlich eine Manschette umfasst, über die das Objekt während des Eindringens an der Barriere oder dem Gewebe oder Verbund in Position gehalten werden kann .

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der an einem hinteren Ende des Objekts ein elastisches oder federndes Materialsystem angeordnet ist, über das eine quasistatische Kraft auf das hintere Ende des Objekts ausübbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der das Objekt mit dem Körper zumindest am hinteren Ende des Objekts von einer starren Hülle umschlossen ist, wobei das elastische oder federnde Materialsystem zwischen dem hinteren Ende des Objekts und der Hülle wirkt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der am hinteren Ende des Objekts ein oder mehrere Maßstäbe befestigt sind, die sich durch Öffnungen in der Hülle parallel zur Eindringrichtung des spitzen Endes nach hinten erstrecken und von außen ein Ablesen einer Eindringtiefe des spitzen Endes in die Barriere oder das Gewebe oder den Verbund ermöglichen.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei der die Hülle eine Auflage für die Vorrichtung auf die Barriere oder das Gewebe oder den Verbund bildet.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der der Körper zumindest teilweise von einer Einrichtung umschlossen ist, die zur Beeinflussung der Materialeigenschaften des Materials des Körpers ausgebildet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Einrichtung ein Entweichen oder Einbringen von flüssigem, dampfförmigem oder gasförmigem Material ermöglicht.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei der das spitze Ende des Objekts (1) bündig mit einer Vorderseite des Körpers abschließt.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei der der am vorderen spitzen Ende des Objekts eine Lochplatte mit zumindest einem Loch angeordnet ist, durch das sich das spitze Ende beim Eindringen durch die Barriere oder das Gewebe oder den Verbund bewegt .

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die Lochplatte Bestandteil einer starren Umhüllung für das Objekt und den Körper ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, bei der die Umhüllung ein oder mehrere Einlass- und Auslassöffnungen für die Zufuhr oder den Auslass von Medien aufweist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei der der Körper aus einem bioabbaubaren Material (3) besteht, das sich bei Kontakt der Vorderseite des Körpers mit der Barriere oder dem Gewebe oder dem Verbund von der Vorderseite des Körpers her abbaut .

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, bei der bioreaktive Stoffe, insbesondere Medikamente, in den Körper aus bioabbaubarem Material (3) eingelagert sind.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, bei der das Objekt (1) aus bioabbaubarem Material besteht, wobei bioreaktive Stoffe, insbesondere Medikamente, in das Objekt eingelagert sind.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, bei der das Objekt (1) als Röhrchen ausgebildet ist .

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, bei der das Objekt (1) Elektroden zur Stimulation und/oder Ableitung von bioelektrischen Signalen trägt .

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, bei der das Objekt mehrere spitze Enden aufweist oder bei der mehrere Objekte (1) mit ein oder mehreren spitzen Enden nebeneinander angeordnet sind.

30. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29 zum Durchdringen einer biologischen

Barriere oder eines biologischen Gewebes oder Verbundes außerhalb des menschlichen oder tierischen Körpers mit dem Objekt (1), bei dem das Objekt (1) und die biologische Barriere oder das biologische Gewebe oder der biologische Verbund so gegeneinander gedrückt werden, dass das Objekt die biologische Barriere oder das biologische Gewebe oder den biologischen Verbund nahezu unabhängig vom Anpressdruck mit einer Geschwindigkeit durchdringt, mit der sich die Dicke des Körpers durch äußere Beeinflussung oder von selbst verringert.

31. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29 zum Durchdringen einer biologischen Barriere oder eines biologischen Gewebes oder

Verbundes am menschlichen oder tierischen Körper mit dem Objekt (1) , bei dem das Objekt (1) und die biologische Barriere oder das biologische Gewebe oder der biologische Verbund so gegeneinander gedrückt werden, dass das Objekt die biologische Barriere oder das biologische Gewebe oder den biologischen Verbund nahezu unabhängig vom Anpressdruck mit einer Geschwindigkeit durchdringt, mit der sich die Dicke des Körpers durch äußere Beeinflussung oder von selbst verringert .