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© Technische Universität München Komponenten | 21 Juni 2018

Forschungsteam druckt Sensoren auf Gummibärchen

Mit Mikroelektroden können elektrische Signale direkt am Gehirn oder Herz gemessen werden. FĂŒr solche Anwendungen werden jedoch weiche Materialien benötigt, auf denen die Elektroden bislang nur mit großem Aufwand angebracht werden konnten.
Einem Team der Technischen UniversitĂ€t MĂŒnchen (TUM) ist es jetzt gelungen, sie direkt auf verschiedene weiche OberflĂ€chen zu drucken.

Mit vereinten KrĂ€ften ist es einem Team der TU MĂŒnchen und des Forschungszentrums JĂŒlich gelungen, ein GummibĂ€rchen zu bedrucken. Was zunĂ€chst bestenfalls nach einer Spielerei klingt, könnte die medizinische Diagnostik verĂ€ndern. Zum einen haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Prof. Bernhard Wolfrum kein Bild oder einen Schriftzug gedruckt, sondern ein Mikroelektroden-Array. Diese Bauteile bestehen aus einer großen Zahl an Elektroden und können VerĂ€nderungen der elektrischen Spannung in Zellen messen. Diese treten beispielsweise bei der AktivitĂ€t von Nerven- oder Muskelzellen auf.

Zum anderen haben GummibĂ€rchen eine Eigenschaft, die fĂŒr den Einsatz von Microelektroden-Arrays an lebenden Zellen besonders wichtig sind: Sie sind weich. Mikroelektroden-Arrays gibt es schon lange. In ihrer ursprĂŒnglichen Form bestehen sie aus harten Materialien wie Silizium. Im Kontakt mit lebenden Zellen ergeben sich daraus verschiedene Nachteile. Im Labor verĂ€ndern sich deshalb Form und Zusammenschluss der Zellen. Im Körper können sie EntzĂŒndungen auslösen und die Funktionsweise von Organen beeintrĂ€chtigen.

Rapid Prototyping mit Tintenstrahldrucker

Mit Elektroden-Arrays auf weichen Materialien lassen sich diese Probleme vermeiden. Dementsprechend intensiv wird an ihnen geforscht. Bislang wird dabei meist auf traditionelle Methoden gesetzt, die relativ langwierig sind und auf kostspielige Speziallabore angewiesen sind. „Druckt man die Elektroden stattdessen, kann man vergleichsweise schnell und gĂŒnstig einen Prototyp herstellen und ihn ebenso problemlos ĂŒberarbeiten“, sagt Bernhard Wolfrum, Professor fĂŒr Neuroelektronik an der TUM. „Solch ein ‚Rapid Prototyping‘ erlaubt ganz neue Arbeitsweisen.“

Wolfrum und sein Team nutzen eine Hightech-Variante des Tintenstrahldruckers. Die Elektroden selbst werden mit kohlenstoffhaltiger FlĂŒssigkeit gedruckt. Damit die Sensoren keine ungewollten Signale aufzeichnen, wird ĂŒber die Kohlenstoffbahnen eine neutrale Schutzschicht aufgetragen.

Materialien fĂŒr verschiedene Anwendungen

Das Verfahren erprobten die Forscherinnen und Forscher an verschiedenen Materialien, darunter das weiche Silikon PDMS (kurz fĂŒr Polydimethylsiloxan), die hĂ€ufig in biologischen Experimenten verwendete Substanz Agar und schließlich Gelatine, unter anderem in Form eines geschmolzenen und wieder erstarrten GummibĂ€rchens. Jeder dieser Stoffe hat Eigenschaften, die sich fĂŒr bestimmte Anwendungen besonders eignen. Beispielsweise können mit Gelatine beschichtete Implantate, unerwĂŒnschte Reaktionen im Gewebe verringern.

Dass die Sensoren zuverlĂ€ssige Werte liefern, konnte das Team durch Experimente mit Zellkulturen nachweisen. Mit einer durchschnittlichen Breite von 30 Mikrometern ermöglichen sie darĂŒber hinaus Messungen an einzelnen oder wenigen Zellen, was mit etablierten Druckmethoden schwierig zu erreichen ist.

„Die Schwierigkeit besteht im Feintuning aller Komponenten – sowohl der technischen Einstellungen des Druckers als auch der Zusammensetzung der Tinte“, sagt Nouran Adly, Erstautorin der Studie. „Im Fall von PDMS mussten wir beispielsweise auf einer von uns entwickelte Vorbehandlung zurĂŒckgreifen, damit die Tinte ĂŒberhaupt auf der OberflĂ€che hĂ€lt.“

VielfÀltige Möglichkeiten

Gedruckte weiche Mikroelektroden-Arrays könnten in verschiedenen Bereichen zum Einsatz kommen. Sie eignen sich nicht nur fĂŒr einen Rapid-Prototyping-Ansatz in der Forschung, sondern könnten auch die Behandlung von Patientinnen und Patienten verĂ€ndern. „In Zukunft könnten Ă€hnliche weiche Strukturen beispielsweise Nerven- oder Herzfunktion im Körper ĂŒberwachen oder sogar als Schrittmacher dienen“, sagt Prof. Wolfrum. Derzeit arbeitet er mit seinem Team zum einen daran, auch komplexere, dreidimensionale Mikroelektroden-Arrays zu drucken. Zum anderen erforschen sie druckbare Sensoren, die nicht auf Spannungsschwankungen, sondern selektiv auf chemische Substanzen reagieren.

Weitere Informationen zu diesem Thema ist ĂŒber die Webseite der Technischen UniversitĂ€t MĂŒnchen zu erhalten.
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2019.01.17 14:20 V11.11.0-2