Rapid Prototyping : Forscher bedrucken Gummibärchen

Vordergründig klingt es nach einer Spielerei: Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Forschungszentrums Jülich hat ein Gummibärchen mit Mikroelektroden bedruckt. Das Besondere daran: Die gedruckten Mikroelektroden-Arrays sind weich. Für den Einsatz an lebenden Zellen bringt das große Vorteile.

Links ein Mann und rechts eine dunkelhaarige Frau, beide mit weißen Kitteln, lehnen übre einem einem weißen Tisch: Elektroden und Sensoren auf gummibärchenweichen Materialien könnten neuartigen Implantaten den Weg ebnen.
Süße Grundlagenforschung mit Potenzial: Elektroden und Sensoren auf gummibärchenweichen Materialien könnten neuartigen Implantaten den Weg ebnen.

Mikroelektroden-Arrays (MEAs) setzen sich aus einer großen Anzahl an Elektroden und Sensoren zusammen. In der Medizin werden sie zum Beispiel eingesetzt, um die elektrische Aktivität von Nerven- oder Muskelzellen zu messen oder diese zu stimulieren. Ursprünglich bestehen MEAs aus harten Materialien wie Silizium. Daraus ergeben sich im Kontakt mit lebenden Zellen verschiedene Nachteile: Form und Zusammenschluss der Zellen verändern sich im Labor. Im Körper können die harten Materialien unerwünschte Reaktionen im Gewebe auslösen, wie Mikroläsionen oder Entzündungen, und die Funktionsweise von Organen beeinträchtigen.

Weiche Arrays aus dem Drucker

Solche Zellschädigungen lassen sich reduzieren oder ganz vermeiden, wenn weiche, flexible Elektronik eingesetzt werden kann. Dementsprechend intensiv wird daran geforscht – wobei bislang meist auf traditionelle Fertigungsmethoden gesetzt wird, die relativ langwierig und kostspielig sind.

Das Team aus München und Jülich hingegen nutzte eine Hightechvariante des Tintenstrahldruckers zur Herstellung der MEAs: „Die Elektroden selbst werden mit kohlenstoffhaltiger Flüssigkeit gedruckt“, berichtet Forschungsleiter Bernhard Wolfrum. „Damit die Sensoren keine ungewollten Signale aufzeichnen, wird über die Kohlenstoffbahnen eine neutrale Schutzschicht aufgetragen, die ebenfalls aus weichem Material besteht“, erklärt der Professor für Neuroelektronik an der TUM weiter. „Hier haben wir etwa Silikone (PDMS) und Hydrogele, basierend auf Agarose und Gelatine, erprobt – letzteres unter anderem in Form eines geschmolzenen und wieder erstarrten Gummibärchens.“

Schnell und günstig zum Prototypen

Als größten Vorteil dieser Methode sieht Wolfrum die schnelle Erstellung von Prototypen: „Druckt man die Elektroden, kann man im Vergleich zur traditionellen Fertigung sehr schnell und günstig einen Prototyp herstellen. Design und Material lassen sich hierbei problemlos überarbeiten. So kann man auch schnell testen, wie sich Zellen auf jeweiligen Substraten verhalten.“

In In-vitro-Versuchen brachten die Forscher Zellkulturen direkt auf ihre innovativen MEAs auf. Sie konnten nachweisen, dass die Zellaktivität zuverlässig abgeleitet wird. Bei harten Materialien kann sich durch deren Verletzungspotenzial die Ableitung verschlechtern oder die Zellen verhalten sich anders als normal. „Wir können die Kopplung der Zellen an die Substrate mit unserer Methode verbessern“, freut sich Wolfrum.

Mit einer durchschnittlichen Breite von 30 Mikrometern ermöglichen die Mikroelektroden auch gezielte Messungen an einzelnen Zellen in einem Netzwerk, was bislang mit Tintenstrahldruckmethoden schwierig zu erreichen war. „All das birgt die Möglichkeit weiterer Grundlagenforschung: Lassen sich Modelle für Krankheiten wie Alzheimer zellulär auf dem Chip nachbauen, gelingt es vielleicht, über dieses Netzwerk zu erforschen, warum bestimmte Nervenzellen absterben, und in weiteren Schritten dann vielleicht auch, wie man das verhindern kann.“

Langer Weg bis zum Patienten

Gedruckte weiche MEAs könnten auch in der direkten Behandlung von Patienten zum Einsatz kommen: „In Zukunft könnten ähnliche weiche Strukturen beispielsweise Nerven- oder Herzfunktionen im Körper überwachen“, meint Wolfrum. Visioniert man weiter, könnten damit auch Nervenzellen im Körper stimuliert werden – die weichen, gut verträglichen MEAs also als Herzschrittmacher oder bei der Neurostimulation zum Einsatz kommen. „Bis dahin ist es aber noch ein langer Weg“, betont der Professor. „Wir machen Grundlagenforschung.“

Derzeit arbeitet Wolfrum mit seinem Team daran, statt eindimensionaler MEAs auch komplexere dreidimensionale MEAs zu drucken: „So könnten wir auch in tieferen Schichten von Zellsystemen elektrische Signale direkt messen und besser verstehen, wie die Informationsweiterleitung im Gewebe funktioniert“, erläutert der Forschungsleiter. Zudem arbeiten die Wissenschaftler weiterhin an druckbaren Sensoren, die selektiv auf chemische Moleküle reagieren: „Bestimmte Neurotransmitter konnten wir damit schon messen“, sagt Wolfrum. „Hormone zu bestimmen, wäre ein weiteres Forschungsziel.“

Das Forschungsvorhaben wird seit drei Jahren vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und dem Bernstein Center München gefördert.

Mehr im Internet:

Nature-Artikel: Printed microelectrode arrays on soft materials: from PDMS to hydrogels

© Medizintechnologie.de

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