Gedruckte Elektroden

Metallische Oberflächen

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Mikroelektroden-Arrays auf Gelatine: Gummibärchen waren eines der Modelle, um die Einsatzmöglichkeiten der Elektroden auf elastischem Gewebe zu testen Bild: N. Adly / TUM
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Gedruckte Elektroden | Mit Mikro-Elektrodenarrays auf flexiblen Trägermaterialien sollen in Zukunft Messungen an Gewebe möglich werden, ohne die Zellen zu beeinflussen. Noch weiter in die Zukunft gedacht, könnten auf diese Weise sogar Sensoren für chemische Substanzen entstehen.

Bedruckte Gummibärchen – das klingt schon sehr nach einer Spielerei. Forscher aus München und Jülich hatten aber keineswegs im Sinn, die Süßigkeiten mit Bildern oder Text zu verzieren. Vielmehr entstanden auf der weichen Oberfläche der Gelatineteilchen Mikroelektrodenarrays – und bei den Experimenten ging es den Wissenschaftlern darum, eine geeignete Technik zu finden, mit der Messungen auch auf weichen Geweben erfolgen können.

Mit Mikroelektroden lassen sich bisher schon elektrische Signale direkt am Gehirn oder am Herz messen. Für Anwendungen auf dem Gewebe sind die üblichen harten Trägermaterialien und Elektroden aus Silizium jedoch nicht geeignet. Auf den erforderlichen weichen Trägermaterialien ließen sich die Elektroden bislang aber nur mit großem Aufwand anbringen. Einem Team der Technischen Universität München (TUM) ist es jetzt gelungen, Elektroden direkt auf verschiedene weiche Oberflächen zu drucken – zum Beispiel auf Fruchtgummis.

Die Münchner haben dabei mit Mitarbeitern des Forschungszentrums Jülich zusammengearbeitet. Was sie mit dem Druck aufs Gummibärchen gezeigt haben, könnte die medizinische Diagnostik verändern. Die gedruckten Mikroelektroden-Arrays bestehen aus einer großen Zahl an Elektroden und können Veränderungen der elektrischen Spannung in Zellen messen. Diese Veränderungen treten beispielsweise dann auf, wenn Nerven- oder Muskelzellen aktiv sind.

Beim Einsatz der starren Siliziumelektroden im Labor zeigte sich, dass sich ihretwegen Form und Zusammenschluss der Zellen verändern, die untersucht werden sollen. Im Körper können solche Elektroden Entzündungen auslösen und die Funktionsweise von Organen beeinträchtigen.

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

Kohlenstoffhaltige Flüssigkeit ist Basis für die Elektroden

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

Das Verfahren erprobten die Forscherinnen und Forscher an verschiedenen Materialien, darunter das weiche Silikon PDMS (kurz für Polydimethylsiloxan), die häufig in biologischen Experimenten verwendete Substanz Agar und schließlich Gelatine, unter anderem in Form eines geschmolzenen und wieder erstarrten Gummibärchens.

Jeder dieser Stoffe hat Eigenschaften, die sich für bestimmte Anwendungen besonders gut eignen. Beispielsweise können mit Gelatine beschichtete Implantate unerwünschte Reaktionen im Gewebe verringern.

Dass die aufgedruckten Sensoren zuverlässige Werte liefern, hat das Team durch Experimente mit Zellkulturen nachgewiesen. Mit einer durchschnittlichen Breite von 30 µm ermöglichen
sie darüber 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 eine von uns entwickelte Vorbehandlung zurückgreifen, damit die Tinte überhaupt auf der Oberfläche hält.“

Gedruckte weiche Mikroelektroden-Arrays könnten in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden. Sie eignen sich nicht nur für den Rapid-Prototyping-Ansatz in der Forschung, sondern könnten auch die Behandlung von Patientinnen und Patienten verändern. „In Zukunft könnten ähnliche weiche Strukturen beispielsweise die Nerven- oder Herzfunktion im Körper überwachen oder sogar als Schrittmacher dienen“, sagt Prof. Wolfrum.

Derzeit arbeitet der Münchner mit seinem Team zum einen daran, auch komplexere, dreidimensionale Mikroelektroden-Arrays zu drucken. Zum anderen geht es den Wissenschaftlern um druckbare Sensoren, die nicht auf Spannungsschwankungen, sondern selektiv auf chemische Substanzen reagieren. (op)


Über die Forscher

Prof. Bernhard Wolfrum forscht an der Munich School of Bioengineering (MSB). Dieses interdisziplinäre Forschungszentrum der TUM arbeitet an der Schnittstelle von Medizin, Ingenieur- und Naturwissenschaften.

Über die Professur
für Neuroelektronik:

www.nel.ei.tum.de/

Über die Munich School of
Bioengineering (MSB):

www.bioengineering.tum.de/

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