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Schaltkreise aus leitfähiger Tinte auf sensiblem Untergrund

Messeaktion Compamed 2017: Hybrid-Tinte
Schaltkreise aus leitfähiger Tinte auf sensiblem Untergrund

Hybrid-Tinten
Biegsam sind die mit Hilfe von Hybrid-Tinten aufgebrachten leitfähigen Strukturen – gleich nach dem Aufdrucken und Trocknen. Die Polymere in der Mischung sind so gestaltet, dass ein Sintern nicht erforderlich ist Bild: INM
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Mit leitfähigen Hybrid-Tinten lassen sich Schaltkreise drucken, die ihren Job sofort nach dem Trocknen ausführen können – ohne Sintern. Das lenkt die Ideen für neue Anwendungen in ungewöhnliche Richtungen. Was das für Medizinprodukte bringt, können Sie auf der Messe Compamed am Stand von medizin&technik mit Fachleuten diskutieren.

Dr. Birgit Oppermann
birgit.oppermann@konradin.de

Bitte halten Sie Ihre Hand kurz dahinein“, sagt der Vorgesetzte zum Mitarbeiter, der künftig eine Werkzeugmaschine betreut und auch den zugehörigen Roboter mit den passenden Steuerbefehlen versorgt. „Da hinein“ ist in diesem Fall eine Öffnung in einem kleinen Gehäuse, das einen Drucker der besonderen Art umschließt. Er druckt weder auf Papier noch auf Folie, sondern ist für das Bedrucken des Trägermaterials „menschliche Haut“ geeignet. Darauf gilt es, nicht etwa eine künstlerische Darstellung aufzubringen oder einen optisch auslesbaren Zugangscode, der dem Maschinenbediener den Zugriff auf die Maschinensteuerung gestattet – auf die Haut wird vielmehr ein Schaltkreis aufgebracht, der die direkte Interaktion mit der Steuerung ermöglicht.

Ganz so weit ist die Technik freilich noch nicht gediehen, das muss man zugeben. Aber das beschriebene Szenario ist eine der Visionen, die mit derzeit entwickelten Lösungen Wirklichkeit werden könnten. Und diese bieten auch Ansatzpunkte für die Medizintechnik.

Einer, der sich zusammen mit seinen Mitarbeitern mit den technischen Details für solche Ideen befasst, ist Prof. Tobias Kraus vom Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken. Im Gespräch mit ihm zeigt sich schnell, dass manche Bausteine schon Alltag sind. So gibt es bereits Drucker, mit denen sich Schaltkreise auf verschiedenste Trägermaterialien aufbringen lassen. Damit das funktioniert, müssen die leitfähigen Inhaltsstoffe in den Tinten allerdings bisher noch von Polymeren ummantelt werden. Diese ermöglichen es, dass die flüssige und damit druckbare Tinte in der vorgesehenen Form auf dem Trägermaterial bleibt.

Ohne Sintern bieten sich neue Anwendungsmöglichkeiten

„Um einen leitfähigen Schaltkreis zu erhalten, müssen diese Mantelmaterialien üblicherweise durch Sintern behandelt werden“, sagt Kraus. Das sei bei temperaturempfindlichen Trägermaterialien wie Papier oder Polymerfolien allerdings schwierig, da diese während des Sinterns Schaden nähmen – ein Verfahrensschritt, dem man auch den Handrücken nicht aussetzen könnte.

Doch in Kraus‘ Labor werden Tinten entwickelt, die sich ohne zu Verlaufen auftragen lassen und ohne Sintern zu einem leitfähigen Schaltkreis führen. „Unsere neuen Hybrid-Tinten sind sofort nach dem Eintrocknen leitfähig, mechanisch besonders flexibel und kommen ohne Sintern aus“, fasst Kraus die Ergebnisse seiner Forschung zusammen. In gewisser Weise kann man die Hybrid-Tinten als Bindeglied zwischen der klassischen starren Elektronik und den verschiedenen Formen der flexiblen Elektronik sehen, an der derzeit viel geforscht wird.

In den Tinten kombinieren die Entwickler Polymere und metallische Nanopartikel: Gold- oder Silber-Nanopartikel werden mit organischen, leitfähigen Polymeren umhüllt und in wässrig-alkoholische Suspensionen überführt. Die organischen Verbindungen sorgen als Liganden dafür, dass die Nanopartikel in der flüssigen Tinte suspendiert bleiben, denn ein Verklumpen von Partikeln würde beim Drucken stören. Die zweite Aufgabe der organischen Liganden ist es, die Anordnung der Nanopartikel beim Trocknen positiv zu beeinflussen. Die dritte Aufgabe ist die „Scharnierfunktion“: Biegt man das bedruckte Material, erhalten sie die elektrische Leitfähigkeit aufrecht.

Auflösungen im Bereich von 10 µm sind erreichbar

„In einer Lage von Metallpartikeln ohne die Polymer-Hülle wäre die elektrische Leitfähigkeit beim Biegen rasch verloren“, fährt Kraus fort. Durch die Kombination beider Materialien sei die elektrische Leitfähigkeit beim Biegen deshalb insgesamt höher als bei einer Schicht rein aus leitfähigem Polymer oder einer Schicht rein aus gesinterten Metall-Nanopartikeln. Je nachdem, welche Drucktechnik verwendet wird, sind mit den Hybridtinten Auflösungen im Bereich von 10 µm zu erzielen.

Für Anwendungen in der Medizintechnik ist die Technik aufgrund ihrer Eigenschaften sehr interessant. Als Polymere lassen sich Polythiophene verwenden, die zum Beispiel von der FDA allgemein als sicher anerkannt sind. Über die Metallpartikel an sich sei eine Menge bekannt, und die Diskussion um Nanosicherheit verfolgen die Forscher aufmerksam. Entsprechende Ergebnisse könne man bei der Materialauswahl berücksichtigen. „Insgesamt ist eine Risikoabschätzung dazu schon ganz gut möglich“, sagt Kraus.

Da die Schaltkreise auf Folien nicht starr, sondern weich und sogar elastisch sind, können sie gewünschte Funktionen auf dehnbaren Textilien, auf der Haut oder im Gewebe ausüben – wofür auch der Wegfall des Sinterns eine Voraussetzung ist. Im Gegensatz zur organischen Elektronik seien die Hybrid-Tinten auch nicht gegen Sonnenlicht empfindlich.

Messen könnte man damit Vitaldaten, wobei sich das Design der „Tattoos mit Funktion“ auch personalisieren ließe. Das gleiche gelte für Wearables, wie etwa Dehnungssensoren, die mit ihren Daten helfen könnten, beispielsweise die Sitzposition des Trägers zu optimieren. Aus der Leitfähigkeit der Haut wiederum ließen sich Rückschlüsse auf den emotionalen Zustand einer Person ziehen. Was, zugegebenermaßen, laut Kraus eher „Lifestyle-Anwendungen“ seien.

Einsatz im Körper wird bisher nur diskutiert

Doch der Einsatz solcher Technik im Körper werde schon diskutiert, auch wenn man da noch ganz am Anfang stehe. „Grundsätzlich ist die Technik kompatibel mit physiologischen Flüssigkeiten, und die gedruckten Schaltkreise sind stabil“, sagt Kraus. Um sie vor einem Auflösen durch die Elektrolyte im Körper zu schützen, müsse man gegebenenfalls über eine Verkapselung nachdenken. Versuche zu Anwendungen über einen längeren Zeitraum stünden aber noch aus. „Und wenn es um den direkten Kontakt mit Lebewesen geht, liegt es natürlich nahe, chemisch inerte Gold-Nanopartikel zu verwenden.“ Für die ebenfalls grundsätzlich für das Erstellen der Schaltkreise geeigneten Silberpartikel lägen die Einsatzbereiche eher im industriellen Umfeld.

Aus der Medtech-Branche hätten Unternehmen bereits Interesse geäußert, die Hybrid-Tinten auf Textilien oder auf Papier einzusetzen. Noch seien die Muster, die die Forscher erstellen, teuer. Die Gold-Nanopartikel würden allerdings in so geringen Mengen eingesetzt, dass sie die Kosten nicht in die Höhe treiben. Aber die Fertigungstechnik für die Herstellung der Tinte in größeren Mengen gebe es noch nicht – jedoch sagt Kraus, „ein entsprechender Forschungsantrag ist bereits geschrieben“.


Weitere Informationen

Über das INM:

www.leibniz-inm.de


Hybrid-Tinten auf der Compamed

Über die Möglichkeiten, die sich mit den Hybrid-Tinten bieten, informieren Wissenschaftler vom INM, die auf der Compamed am Stand von medizin&technik zu Gast sind.

Sehen Sie selbst, ob die speziellen Mischungen den Erwartungen entsprechen. Ein Beispiel dafür liefert der Test von eigener Hand. Schriftzug, Bild oder der klassische Schaltkreis: Was Sie auf ein Blatt Papier zeichnen, leitet den Strom, kaum dass die Tinte getrocknet ist – was der leuchtende Beweis zeigt.

Welche weiteren Ideen sich aus dieser Technik ergeben könnten, diskutieren die Fachleute gern mit Ihnen. So lassen sich leitfähige Hybrid-Tinten auch mit biofunktionalisierten Gelen kombinieren. In dieser Richtung wird am INM geforscht, mit dem Ziel, eines Tages beschädigtes Nervengewebe damit zu reparieren. Die Experten vom INM und das Team von medizin&technik freuen sich auf Ihren Besuch in
Halle 8a am Stand J 41.

Der Schaltkreis – ein Federstrich, wenn in das Schreibgerät die „richtige“ Tinte gefüllt wurde. Was Drucker im industriellen Umfeld damit anfangen können, beschreiben die Forscher vom INM
Bild: INM
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