Sensorik Weiche Sensoren aus dem Tintenstrahldrucker

Gatter auf Gummibärchen: Flexible Mikroelektroden-Arrays lassen sich auf Gelatine und andere weiche Materialien drucken. Die Technik könnte die medizinische Diagnostik in hochsensiblen Bereichen vereinfachen.

Mikroelektroden können elektrische Signale direkt am Gehirn oder Herz messen. Solche hochsensiblen Anwendungen erfordern jedoch weiche Materialien, damit die empfindlichen Organe keine Schäden davon tragen. Das Problem: Elektroden lassen sich bislang nur mit großem Aufwand auf weichen Oberflächen anbringen. Einem Team der Technischen Universität München (TUM) und des Forschungszentrums Jülich ist es jetzt gelungen, funktionsfähige Sensoren direkt auf weiche Oberflächen zu drucken.

Sensoren auf Gummibärchen drucken

Als Träger wählten die Forscher Gummibärchen. Was zunächst nach einer Spielerei klingt – möglicherweise, um die Motivation der Wissenschaftler hoch zu halten – könnte die medizinische Diagnostik verändern. 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 Veränderungen der elektrischen Spannung in Zellen messen. Diese treten beispielsweise bei der Aktivität von Nerven- oder Muskelzellen auf.

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Wie Sensoren funktionieren und wo sie eingesetzt werden

Zum anderen haben Gummibärchen eine Eigenschaft, die für den Einsatz von Miroelektroden-Arrays an lebenden Zellen besonders wichtig sind: Sie sind weich. Mikroelektroden-Arrays gibt es schon lange. In ihrer ursprünglichen Form bestehen sie aus harten Materialien wie Silizium. Im Kontakt mit lebenden Zellen ergeben sich daraus verschiedene Nachteile. Im Labor verändern sich deshalb Form und Zusammenschluss der Zellen. Im Körper können sie Entzündungen auslösen und die Funktionsweise von Organen beeinträchtigen.

Rapid Prototyping mit dem Tintenstrahldrucker

Mit Elektroden-Arrays auf weichen Materialien lassen sich diese Probleme vermeiden. Dementsprechend intensiv wird an ihnen geforscht. Bisherige Lösungen erfordern den Einsatz teurer Speziallabore. „Druckt man die Elektroden stattdessen, kann man vergleichsweise schnell und günstig einen Prototyp herstellen und ihn ebenso problemlos überarbeiten“, sagt Bernhard Wolfrum, Professor für 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 Flüssigkeit gedruckt. Damit die Sensoren keine ungewollten Signale aufzeichnen, schützt ein zusätzlich aufgetragener Film die Kohlenstoffbahnen.

Gelatine kann unerwünschte Gewebereaktionen verhindern

Das Verfahren erprobten die Forscherinnen und Forscher an verschiedenen Materialien, darunter weiches Silikon-PDMS (Polydimethylsiloxan) sowie 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 sie für bestimmte Anwendungen prädestinieren. Beispielsweise können mit Gelatine beschichtete Implantate, unerwünschte Reaktionen im Gewebe verringern.

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Smart vernetzte Sensoren für Industrie-4.0-Anwendungen

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

Messungen an einzelnen Zellen möglich

„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 entwickelten Vorbehandlung zurückgreifen, damit die Tinte überhaupt auf der Oberfläche hält.“

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Neues Herstellverfahren ermöglicht Sensorik aus Kunststoff

Gedruckte weiche Mikroelektroden-Arrays könnten in verschiedenen Bereichen zum Einsatz kommen. Sie eignen sich nicht nur für einen Rapid-Prototyping-Ansatz in der Forschung, sondern könnten auch die Behandlung von Patientinnen und Patienten verändern. „In Zukunft könnten ähnliche weiche Strukturen beispielsweise Nerven- oder Herzfunktion im Körper überwachen 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.

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal Elektronikpraxis.de.

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