Die Grundprinzipien des Origami haben die Sichtweise der Biomedizintechniker auf ihre Arbeit verändert.

Greenberg interessierte sich für nachgiebige Mechanismen C, d. h. für Objekte, deren Bewegung durch Biegen, Falten und Verdrehen entsteht. Einer ihrer besten Freunde war ein Origami-Wunderkind, das ihr einige Grundtechniken beibrachte. Manche Leute lesen für ihr Studium eine Menge Papiere. Ich habe eine Menge Papier gefaltet“, sagt Greenberg.

Bunte T-Rex- und Venusfliegenfallen-Figuren sowie Bücher mit Origami-Mustern bevölkerten allmählich die Regale des Labors. Und Greenberg und ihre Professoren erkannten, dass die uralte Kunst des Papierfaltens auch in anderen Bereichen Anwendung finden könnte, z. B. bei der Entwicklung von medizinischen Instrumenten und Geräten.

Es war eine Verbindung von Kunst und Technik, eine 1.000 Jahre alte Praxis, angewandt auf Spitzentechnologie. Origami-Künstler entdeckten neue Möglichkeiten, auf die wir mit den Methoden, die wir seit jeher verwenden, nie gestoßen wären, sagt Larry Howell, PhD, Professor für Maschinenbau und stellvertretender akademischer Vizepräsident an der BYU.

Als Greenberg 2010 in das Labor kam, nutzten Wissenschaftler und Ingenieure auf der ganzen Welt bereits Origami-Prinzipien – vor allem die Idee, dass etwas Großes in eine kompakte Form gefaltet und dann wieder vergrößert werden kann – für die Konstruktion von Auto-Airbags und Raketenschilden.

Dr. Zhong You, heute Professor für Ingenieurwissenschaften an der Universität Oxford, hatte an einem faltbaren Herzstent zur Behandlung von Aortenaneurysmen gearbeitet, der sich nach Origami-Prinzipien von einem Durchmesser von 30 mm auf knappe 7-9 mm falten ließ, um das Einsetzen zu erleichtern, und sich dann in der Aorta zu seiner vollen Größe entfaltete.

Und Robert J. Lang, PhD, ein Physiker und weltbekannter Origami-Experte, hatte eine Tasche für medizinische Instrumente entworfen, bei der Origami zum Falten eines flachen Materials verwendet wurde, so dass sterile Oberflächen bei der Verwendung nicht mit unsterilen Oberflächen in Berührung kommen konnten. Lang beriet Regierungsbehörden, Privatunternehmen und Universitäten, darunter auch die BYU, bei der Anwendung von Origami-Prinzipien und -Techniken für eine Reihe von Projekten.

Was Origami der Medizin und anderen Bereichen bringt, ist die deterministische Formveränderung, sagt Lang, d. h. Geräte, die ihre Form gezielt und absichtlich verändern und nicht einfach zerknittern wie ein in eine Schublade gestopftes Hemd. In dem Maße, in dem Origami bekannter geworden ist und zum Handwerkszeug von Ingenieuren gehört, sind auch mehr Menschen, die sich mit medizinischen Problemen befassen, darauf aufmerksam geworden und haben diese Verbindung hergestellt: Oh, das könnte nützlich sein.

Die National Science Foundation hat das Interesse geweckt und Anfang der 2010er Jahre eine Reihe von Stipendien für Origami finanziert: einen eintägigen Workshop über das Design von DNA-Origami, ein Projekt über programmierbares intelligentes Origami und eines an der BYU über die Anwendung von Origami-Prinzipien auf Nicht-Papier-Materialien.

Das Team der BYU hat einen Faltenbalg im Origami-Stil entwickelt, der den gebogenen Arm eines Röntgengeräts steril umhüllen kann, wenn er in verschiedene Richtungen geschwenkt wird. Sie benutzten Origami, um eine besser sitzende Windel für Erwachsene zu entwerfen, die sich den Kurven des Körpers anpasst.

Eines der ersten Muster, mit denen wir gespielt haben, war der so genannte Chomper“, sagt Dr. Spencer Magleby, Professor für Maschinenbau an der BYU und stellvertretender Dekan für die Ausbildung von Studenten. Ein Origami Chomper sieht aus wie ein Schnabel oder ein Mund; wenn man ihn von der Seite zusammendrückt, öffnet und schließt er sich, als ob er beißt.

Nach demselben Prinzip könnte ein winziges Instrument für die laparoskopische Chirurgie hergestellt werden, das mit einem Kabel bedient wird, um es zum Einführen zu schließen, und das dann geöffnet und manipuliert wird, sobald es im Körper ist. Das BYU-Team nannte es Oriceps (von 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 kann, um Unterleibstumore mit Radiofrequenzablation C zu behandeln – ein elektrischer Strom, der Tumorzellen zum Vibrieren, Erhitzen und Absterben bringt.

Freckers Team nutzte Origami-Techniken, um eine Sondenspitze aus winzigen Nadeln herzustellen, die sich beim Einführen zusammenziehen und dann wie ein 3D-Pfauenschwanz auffächern können, sobald sie im Tumor sind. Sie nannten es die Chimäre, ein griechisches Wort, das sich auf eine Kreatur bezieht, die aus nicht zusammenpassenden Teilen besteht.

Solche vom Origami inspirierten Geräte haben einige Vorteile gegenüber herkömmlichen Instrumenten: Die Einfachheit des Designs bedeutet weniger bewegliche Teile und weniger Möglichkeiten für Bakterien, sich in Scharnieren oder Gelenken anzusammeln, sowie geringere Herstellungskosten.

Wenn medizinische Instrumente und Stents kleiner gemacht werden könnten, wären die Operationen selbst weniger invasiv und störend für den Körper; die Heilung könnte schneller und weniger kompliziert sein.

Die Anwendung [von Origami in der Medizin] hat mit der Zunahme der laparoskopischen Chirurgie zugenommen, sagt Lang. Man möchte durch ein winzig kleines Loch eindringen; wenn man erst einmal drin ist, möchte man sich ausbreiten, sei es mit Stents, die ein Blutgefäß ausbreiten, oder mit Retraktoren, die sich öffnen, um Organe aus dem Weg zu räumen. Hier hat Origami eine Rolle gespielt.

Die Verwendung von Origami in der Medizin stellt auch eine Herausforderung dar. Traditionelles Origami basiert auf der Verwendung von Papier, aber Geräte, die für den Einsatz im Körper bestimmt sind, müssen aus biokompatiblen Materialien hergestellt werden.

Dann ist da noch die Frage der Aktivierung. Wie bringt man es in Bewegung, wenn es am Zielort angekommen ist? fragt Lang. Ist es ein Motor, ein Hebel, wird es elektrisch aktiviert? Einige von Origami inspirierte Geräte entfalten sich, 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 auf das Falten von Servietten mit ihren Kindern, 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 eingesetzt werden könnte: ein gefaltetes biokompatibles Blatt, in das Chemotherapeutika eingebettet sind und das sich im Körper entfalten könnte; ein winziger Stent mit einem Durchmesser von nur 0,5 mm zur Behandlung von grünem Star; und ein Zweig der DNA-Nanotechnologie, bei dem DNA in 3D-Strukturen gestrickt wird, die beispielsweise für die Biobildgebung und die intelligente Verabreichung von Medikamenten verwendet werden könnten, um Chemotherapeutika direkt in die Krebszellen zu bringen.

Das Interesse an vom Origami inspirierten medizinischen Geräten hat in den letzten zehn Jahren stark zugenommen, sagt Frecker, dessen Team derzeit an einem vom Origami inspirierten Produkt arbeitet, das Ärzte bei Operationen an den Nasennebenhöhlen vor dem Kontakt mit Aerosoltröpfchen ihrer Patienten schützt.

Zurzeit befinden sich die meisten von Origami inspirierten medizinischen Anwendungen noch im Forschungs- oder Prototypenstadium. Es kann Jahre dauern, bis man Geldmittel auftreibt, das Interesse eines Herstellers weckt und die FDA-Zulassung erhält. Es geht allmählich von den Labors zu den Unternehmen, sagt Howell. Das braucht einfach Zeit.

Die Grundprinzipien des Origami – Bewegung durch Falten und Entfalten, Umwandlung von etwas Flachem in etwas Dreidimensionales, Verkleinerung von etwas Großem durch Falten, Verwendung einfacher Techniken zur Erzielung komplexer Ergebnisse – haben die Sichtweise der Biomedizintechniker auf ihre Arbeit verändert.

Für Frecker haben diese Konzepte auch die Art und Weise verändert, wie sie die Welt sieht. Mir war nie bewusst, wie allgegenwärtig Origami ist, bis ich anfing, in meiner Forschung damit zu arbeiten“, sagt sie. Es ist überall.