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© ifw dresden Elektronikproduktion | 14 Dezember 2015

Smart und mini: Innovationen für die Medizintechnik

Wissenschaftler des Leibniz-Instituts fĂŒr Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden und der TU Chemnitz forschen an dĂŒnnen Nanomembranen, die sich selbst zu Mikro- und Nanoröhren aufrollen.
Die neuesten Ergebnisse zeigen das enorme Innovationspotential dieser ultradĂŒnnen, biegsamen und kostengĂŒnstig herzustellenden Röhrchen fĂŒr die Medizintechnik: als Antennen fĂŒr Implantate, als Sensoren in der neurologischen Diagnostik und als Wundverband fĂŒr Nervenfasern. Derzeit entsteht in Chemnitz ein neues ForschungsgebĂ€ude: das Zentrum fĂŒr Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN), in dem diese Forschungsarbeiten aufgegriffen und weiterentwickelt werden sollen.

DĂŒnne Schichten, die sich selbst zu Röhrchen aufrollen, sich mit großer PrĂ€zision selbstorganisiert auf Chips anordnen und als integrierte Bauelemente vielerlei Funktionen ausĂŒben – das ist das Metier von Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Direktor des Instituts fĂŒr Integrative Nanowissenschaften des IFW Dresden und Professor fĂŒr Materialsysteme der Nanoelektronik an der TU Chemnitz.

In seinen jĂŒngsten Arbeiten wird das enorme Innovationspotential dieser aufgerollten Strukturen in der Medizintechnik offenbar. „Die Kernidee beruht auf der Kombination flexibler Polymermembranen und verschiedener metallischer bzw. magnetischer DĂŒnnschichten“, erklĂ€rt Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, „Diese Synergie eröffnet völlig neue Horizonte und erlaubt die Gestaltung einer faszinierenden Klasse von Sensoren, Antennen und integrierten Schaltkreisen mit einer neuartigen FunktionalitĂ€t der Verformbarkeit.“

Smarter Wundverband fĂŒr Nervenzellen

Selbstorganisiert aufgerollte Mikroröhrchen mit integrierter Elektronik könnten als Wundverband fĂŒr defekte oder heilende NervenstrĂ€nge dienen. Möglich wird das durch die Kombination von mechanisch flexibler Elektronik mit sogenannten stimuli-responsiven Materialien. Dies sind Polymere, die auf spezifische Anregungen mit reversiblen FormverĂ€nderungen reagieren können, indem sie zum Beispiel anschwellen, sich verdrehen, verlĂ€ngern oder krĂŒmmen.

Der Prototyp einer solchen Nervenmanschette wurde am IFW Dresden entwickelt. Sie besteht aus einem Hydrogel-Mikroröhrchen als stimuli-responsivem Material, das mit flexiblen elektronischen Bauelementen in Form eines VerstÀrkers und einer Logikeinheit auf der Basis von Gallium-Zink-Oxid-Transistoren ausgestattet ist.

Die FormverĂ€nderungen können von außen ĂŒber die Temperatur, die Zusammensetzung der Lösung oder den pH-Wert manipuliert werden. Die elektronischen Bauteile behalten dabei ihre volle FunktionalitĂ€t, egal ob die Manschette plan, gebogen oder zu einem Röhrchen aufgerollt ist. Dabei werden Durchmesser von ca. 50 Mikrometern erreicht, was der GrĂ¶ĂŸenordnung von Nervenfasern entspricht. Die Möglichkeit, die Manschetten durch Ă€ußere EinflĂŒsse zu öffnen und zu schließen, macht ihre Anwendung als Verband fĂŒr Nervenzellen zwecks Regeneration, Überwachung oder Stimulierung besonders attraktiv.

Antennen fĂŒr smarte Implantate

Ein weiteres Anwendungsfeld aufgerollter Strukturen ist der Einsatz als miniaturisierte biokompatible Antennen, die Informationen zu physiologischen Prozessen wie z.B. zur Wundheilung erfassen, bewerten und an den Arzt oder den Patienten selbst senden. Prof. Oliver G. Schmidt und seine Kollegen haben fĂŒr diese Anwendung spiralförmige Antennen entwickelt. Sie haben einen Durchmesser von nur 0,2 Millimeter und sind 5,5 Millimeter lang.

Damit können die Spiralantennen auf einfache Weise mit ĂŒblichen Spritzen implantiert werden. Sie arbeiten im Frequenzband von 5,8 und 2,4 GHz und weisen die in der Elektrotechnik ĂŒbliche Impedanz von 50 Ohm auf. Die Forscher konnten zeigen, dass die SignalĂŒbertragung zwischen einzelnen Antennen und zwischen Antenne und Smartphone zuverlĂ€ssig funktioniert.

Der Innovationsdrang im medizinischen Bereich ist nie wirklich abgeebbt. Wir sind nur an einem Punkt angekommen, in dem wir, die Nutzer dieser Innovationen, diese nicht mehr wirklich wahrnehmen.

Auf der TEC MĂŒnchen 2016, welche am 26. Januar 2016 in Unterschleißheim stattfinden wird, wird Michael Freitag von Kemet Electronics GmbH implantierbare Elektronik etwas genauer beleuchten. Was ist beim Erstellen einer implantierbaren Anwendung zu beachten? Haben die Kondensatoren GrĂ¶ĂŸenbeschrĂ€nkungen? Hat Ihre Anwendung direkt oder indirekt mit der medizinischen Bildgebung zu tun? Vielleicht wird auch eine Ihrer Fragen beantwortet.

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