Holly Greenberg war eine 24-jährige Studentin im Maschinenbaulabor der Brigham Young University (BYU), als sie auf die Idee stolperte, dass gefaltete Kraniche aus Papier für ihre Arbeit relevant sein könnten.
Greenberg interessierte sich für nachgiebige Mechanismen – also Objekte, deren Bewegung durch Biegen, Falten und Verdrehen entsteht. Einer ihrer besten Freunde war ein Origami-Wunderkind, das ihr einige grundlegende Techniken beibrachte. „Einige Leute lesen viele Aufsätze für die Graduiertenschule. Ich habe viel Papier gefaltet“, sagt Greenberg.
Bunte T-Rex- und Venusfliegenfallenfiguren sowie Bücher mit Origami-Mustern begannen, die Regale des Labors zu bevölkern. Und Greenberg erkannte zusammen mit ihren Professoren, dass die alte Kunst des Papierfaltens auf andere Bereiche anwendbar sein könnte, einschließlich des Designs medizinischer Instrumente und Geräte.
Es war eine Verbindung von Kunst und Ingenieurskunst, eine 1.000 Jahre alte Praxis, die auf Spitzentechnologie angewendet wurde. „Origami-Künstler entdeckten neue Möglichkeiten, Dinge zu tun, auf die wir mit den Methoden, die wir seit Ewigkeiten anwenden, niemals gestoßen wären“, sagt Larry Howell, PhD, Professor für Maschinenbau und stellvertretender akademischer Vizepräsident an der BYU.
Als Greenberg 2010 das Labor betrat, nutzten Wissenschaftler und Ingenieure auf der ganzen Welt bereits Origami-Prinzipien – hauptsächlich die Idee, dass etwas Großes in eine kompakte Form gefaltet und dann wieder expandiert werden kann – beim Design von Airbags und Raketenabschirmungen für Autos .
Zhong You, PhD, jetzt Professor für Ingenieurwissenschaften an der Universität Oxford, hatte an einem faltbaren Herzstent zur Behandlung von Aortenaneurysmen gearbeitet, der Origami-Prinzipien nutzte, um sich zur Vereinfachung von einem Durchmesser von 30 mm auf knapp 7-9 mm zu falten des Einführens und entfaltet sich dann in seiner vollen Größe, sobald er sich in der Aorta befindet.
Und Robert J. Lang, PhD, ein Physiker und weltbekannter Origami-Experte, hatte einen Beutel für medizinische Instrumente entworfen, indem er Origami verwendete, um ein flaches Material so zu falten, dass sterile Oberflächen nicht mit unsterilen Oberflächen in Kontakt kamen, wenn es war benutzt. Lang beriet sich mit Regierungsbehörden, Privatunternehmen und Universitäten, einschließlich der BYU, über Möglichkeiten, Origami-Prinzipien und -Techniken auf eine Reihe von Projekten anzuwenden.
„Was Origami sowohl zur Medizin als auch zu anderen Bereichen beiträgt, ist die deterministische Formänderung“, sagt Lang, und meint damit Geräte, die ihre Form auf eine bestimmte und absichtliche Weise ändern, anstatt einfach wie ein in eine Schublade gestopfte Hemd zu zerknittern. „Je mehr Origami als Teil der Werkzeugkiste des Ingenieurs anerkannt wurde, desto mehr Menschen, die an medizinischen Problemen arbeiten, haben es gesehen und diese Verbindung hergestellt: Oh, das könnte nützlich sein.“
Die National Science Foundation erregte Aufsehen und finanzierte Anfang der 2010er Jahre eine Reihe von Stipendien im Zusammenhang mit Origami: einen ganztägigen Workshop zum Design von DNA-Origami, ein Projekt zu programmierbarem „intelligentem“ Origami und einen an der BYU zur Bewerbung Origami-Prinzipien zu Nicht-Papier-Materialien.
Das Team der BYU schuf einen „Balgen“ im Origami-Stil, der eine sterile Hülle für den gekrümmten Arm eines Röntgengeräts bieten könnte, wenn er in verschiedene Richtungen geschwenkt wird. Sie verwendeten Origami, um eine besser sitzende Windel für Erwachsene zu entwerfen, die sich den Kurven des Körpers anpasste.
„Eines der ersten Muster, mit dem wir gespielt haben, war das sogenannte Chomper“, sagt Spencer Magleby, PhD, Professor für Maschinenbau an der BYU und stellvertretender Dekan der Grundausbildung. Ein Origami-Schnaps sieht aus wie ein Schnabel oder Mund; Wenn es von den Seiten gedrückt wird, öffnet und schließt es sich, als würde es beißen.
Das gleiche Prinzip könnte verwendet werden, um ein winziges Instrument für die laparoskopische Chirurgie herzustellen, das mit einem Kabel betrieben wird, um es zum Einführen zuzudrücken, und dann geöffnet und manipuliert wird, sobald es sich im Körper befindet. Das BYU-Team nannte es einen Oriceps (Origami-inspirierte chirurgische Pinzette).
An der Pennsylvania State University, wo Mary Frecker, PhD, das Center for Biodevices leitet, begann ihr Team mit der Arbeit an einem Gerät, das durch ein Endoskop eingeführt werden konnte, um Bauchtumoren mit Hochfrequenzablation zu behandeln – einem elektrischen Strom, der Tumorzellen zum Vibrieren und Erhitzen bringt auf und sterbe.
Freckers Team verwendete Origami-Techniken, um eine Sondenspitze herzustellen, die aus winzigen Nadeln bestand, die sich zum Einführen verdichten und dann im Tumor wie ein 3D-Pfauenschwanz auffächern konnten. Sie nannten es die „Chimäre“, ein griechisches Wort, das sich auf eine Kreatur bezieht, die aus unpassenden Teilen besteht.
Solche Origami-inspirierten Geräte haben einige Vorteile gegenüber herkömmlichen Instrumenten: Einfaches Design bedeutet weniger bewegliche Teile und weniger Möglichkeiten für Bakterien, sich in Scharnieren oder Gelenken anzusammeln, sowie niedrigere Herstellungskosten.
Wenn medizinische Instrumente und Stents kleiner gemacht werden könnten, wären die Operationen selbst weniger invasiv und störend für den Körper; Heilung könnte schneller und weniger kompliziert sein.
“Die Anwendung [of origami in medicine] ist im Einklang mit dem Anstieg der laparoskopischen Chirurgie gestiegen“, sagt Lang. „Du willst durch ein winzig kleines Loch hineingehen; Sobald Sie drinnen sind, möchten Sie sich ausbreiten, sei es mit Stents, die ein Blutgefäß spreizen, oder mit Retraktoren, die sich öffnen, um Organe aus dem Weg zu räumen. Da hat Origami eine Rolle gespielt.“
Die Verwendung von Origami in medizinischen Anwendungen bringt auch Herausforderungen mit sich. Traditionelles Origami basiert auf der Verwendung von Papier, aber Geräte, die für den Einsatz im Körper bestimmt sind, müssen aus biokompatiblen Materialien hergestellt sein.
Dann ist da noch die Frage der Aktivierung. „Wie willst du es bewegen, wenn es am Ziel ankommt?“ fragt Lang. „Ist es ein Motor, ein Hebel, wird er elektrisch betätigt?“ Einige von Origami inspirierte Geräte werden eingesetzt, wenn sie eine bestimmte Temperatur erreichen, aber diese Temperatur muss auch mit dem menschlichen Körper kompatibel sein.
Greenberg verließ die BYU vor 10 Jahren und arbeitet jetzt in der Geschäftsentwicklung bei Chevron. Ihre Origami-Experimente beschränken sich darauf, mit ihren Kindern Servietten zu falten, während sie in einem chinesischen Restaurant auf das Abendessen warten.
Aber auf der ganzen Welt – in Oxford, Penn State und BYU, in Labors in Israel, China, Japan und anderswo – erforschen Forscher weiterhin, wie Origami für medizinische Geräte und Verfahren angewendet werden könnte: ein gefaltetes biokompatibles Blatt, in das Chemotherapeutika eingebettet sind, die dies könnten sich im Körper entfalten; ein winziger Stent mit nur 0,5 mm Durchmesser zur Behandlung des Glaukoms; und ein Zweig der DNA-Nanotechnologie, bei dem DNA in 3D-Strukturen „gestrickt“ wird, die beispielsweise für die Biobildgebung und die „intelligente“ Arzneimittelabgabe verwendet werden könnten, um die Chemotherapie direkt in die Zielkrebszellen zu bringen.
„Das Interesse an Origami-inspirierten Medizinprodukten ist in den letzten zehn Jahren stark gewachsen“, sagt Frecker, dessen Team jetzt an einem Origami-inspirierten Produkt arbeitet, um Ärzte, die Nasennebenhöhlenoperationen durchführen, vor der Exposition gegenüber Aerosoltröpfchen ihrer Patienten zu schützen.
Zu diesem Zeitpunkt befinden sich die meisten Origami-inspirierten medizinischen Anwendungen noch im Forschungs- oder Prototypenstadium. Es kann Jahre dauern, Geldmittel zu beschaffen, das Interesse eines Herstellers zu wecken und die FDA-Zulassung zu erhalten. „Es verlagert sich allmählich von den Labors in die Unternehmen“, sagt Howell. „Das dauert eben.“
Die Grundprinzipien des Origami – Ableiten von Bewegung durch Knicken und Kneten; etwas Flaches in etwas Dreidimensionales umwandeln; durch Falten etwas Großes auf etwas Kleines reduzieren; einfache Techniken zu verwenden, um komplexe Ergebnisse zu erzielen – haben die Art und Weise verändert, wie biomedizinische Ingenieure ihre Arbeit betrachten.
Für Frecker haben diese Konzepte auch ihre Sicht auf die Welt verändert. „Mir war nie klar, wie allgegenwärtig Origami ist, bis ich anfing, in meiner Forschung daran zu arbeiten“, sagt sie. “Es ist überall.”