Die flexible und adaptive Mikroelektronik gilt als Innovationstreiber für neue biomedizinische Anwendungen. Dazu gehören beispielsweise die Behandlung beschädigter Nervenbündel, chronischer Schmerzen oder die Steuerung künstlicher Gliedmaßen. Damit das funktioniert, ist ein enger Kontakt zwischen der Elektronik und dem neuronalen Gewebe für eine effektive elektrische und mechanische Kopplung unerlässlich. Ein internationales Forscherteam konnte nun erstmals zeigen, dass eine solche adaptive Mikroelektronik durch die Analyse von Sensorsignalen in der Lage ist, sich kontrolliert zu positionieren, biologisches Gewebe zu manipulieren und auf seine Umgebung zu reagieren.
Polymerfolie als Träger für Mikroelektrik-Komponenten
Mit im Team sind Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Leiter des Instituts für Integrative Nanowissenschaften am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden sowie Inhaber der Professur für Materialsysteme der Nanoelektronik an der Technischen Universität Chemnitz, sowie Boris Rivkin, Doktorand in der Forschungsgruppe von Prof. Schmidt. Die Ergebnisse unter der Erst-Autorenschaft Rivkins sind in dem Fachmagazin „Advanced Intelligent Systems“ erschienen.
Bisher war es nicht möglich, dass mikroelektronische Strukturen sowohl ihre Umgebung wahrnehmen als auch sich daran anpassen können. Die Grundlage für diese Anwendungen bildet eine 0,5 mm breite und 0,35 mm lange Polymerfolie, die als Träger für die mikroelektronischen Komponenten fungiert.
Intelligente Mikroelektronik passt sich an Umgebung an
Das Team der TU Chemnitz und des Leibniz-Instituts IFW in Dresden stellt nun eine adaptive und intelligente Mikroelektronik vor, die sich mittels mikroskopisch kleiner künstlicher Muskeln gezielt verformt und dank Sensoren an dynamische Umgebungen anpasst. Dafür werden die Sensorsignale durch elektrische Verbindungen an einen Mikrocontroller geleitet, der diese auswertet und dafür nutzt, um Steuersignale für die künstlichen Muskeln zu erzeugen. So lassen sich diese Werkzeuge im Miniaturformat auch an komplexe und unvorhersehbare anatomische Formen anpassen.
So sind beispielsweise Nervenbündel immer unterschiedlich groß. Die adaptive Mikroelektronik ermöglicht es, die Nervenbündel schonend zu umschließen, um ein geeignetes bioneurales Interface zu etablieren. Wesentlich dafür ist die Integration von Form- oder Positionssensoren in Kombination mit Mikroaktuatoren. Die Bewegung und Verformung der adaptiven Mikroelektronik erfolgt mittels künstlicher Muskeln, der so genannten Aktuatoren. Diese erzeugen durch den Ausstoß oder die Absorption von Ionen eine Bewegung und können so beispielsweise die Polymer-Folie verformen. Grundlage dieses Prozesses ist der Einsatz des Polymers Polypyrrol (PPy).
Ziel sind komplexe und intelligente robotische Mikrosysteme
Das Team aus Dresden und Chemnitz erwartet, dass sich die adaptive und intelligente Mikroelektronik mittelfristig zu komplexen robotischen Mikrosystemen entwickelt wird. Dazu Boris Rivkin: „Der entscheidende nächste Schritt ist der Übergang von der bisher flachen Architektur zu dreidimensionalen Mikro-Robotern.“ Denkbar seien robotisierte Mikro-Katheter, kleinste Roboterarme und formbare neuronale Implantate, die einer digitalen Instruktion folgend semi-autonom handeln können. (su)
Weitere Informationen
Wie sich adaptive Mikroelektronik kontrolliert positionieren, biologisches Gewebe manipulieren lässt und auf seine Umgebung reagieren kann, hat ein Forscherteam herausgefunden. Die Ergebnisse unter der Erst-Autorenschaft von Boris Rivkin sind im Fachmagazin „Advanced Intelligent Systems“ erschienen.
Kontakt zum Institut:
Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden e. V.
Helmholtzstr. 20
01069 Dresden
www.ifw-dresden.de
