Katheter ermöglichen Eingriffe wie die Entfernung von Blutgerinnseln, das Einsetzen von Implantaten oder die gezielte Verabreichung von Medikamenten. In üblichen elektronischen Kathetern wurde Sensorik und Aktorik noch per Hand integriert und sie müssen von außen manövriert oder mittels Roboterunterstützung gesetzt werden.
Integration in die Katheder-Wand
Das Forschungsteam hat einen integrierten mikroelektronischen Katheter (IMK) entwickelt, in dem von vornherein die elektronischen Komponenten für Sensorik und Aktorik in der Katheter-Wand integriert sind. Die eingebetteten elektronischen Komponenten haben dabei keine negative Auswirkung auf die Größe der Katheter. Die Instrumente haben einen Durchmesser von 0,1mm und sind flexibel und widerstandsfähig.
Im IMK wurden Magnetsensoren zur Navigation und Positionsbestimmung integriert. Dieses Tracking setzt, wie ein Kompass, auf schwache Magnetfelder statt auf Strahlung oder Kontrastmittel, und wäre somit auch in tiefem Gewebe und unter dichten Materialien anwendbar.
Außerdem verfügt der IMK über einen Kanal für Flüssigkeiten – z.B Medikamente, die gezielt im Körper abgegeben werden können. Die Katheter-Spitze ist mit einem Greifinstrument ausgestattet, mit dem der IMK mikroskopische Objekte fassen und bewegen kann.
Wie funktioniert das?
Der flexible Einsatz integrierter Mikroelektronik wird durch eingebettete elektronische Komponenten auf Basis der Swiss-Roll-Origami-Technik realisiert. Diese Technik erlaubt es, komplexe mikroelektronische Schaltungen auf einem Chip herzustellen, die sich anschließend von selbst zu einer Mikro-Röhrchenstruktur aufrollen. Die mehrfachen Windungen einer solchen Swiss-Roll-Architektur vergrößern die nutzbare Oberfläche erheblich und erlauben es, die Sensorik, Aktorik und Mikroelektronik in der Wand des Röhrchens monolithisch zu integrieren.
Diese Technologie erforscht das Team seit geraumer Zeit. Dabei haben sich extrem dünne, formbare Polymerfilme als nützlich für die Mikroröhrchen-Architekturen erwiesen, die sich auch geometrisch an andere Objekten anpassen können, zum Beispiel als Manschetten-Implantate für bioneurale Schnittstellen. Ein weiteres Anwendungsszenario sind katalytische Mikromotoren und Plattformen für elektronische Komponenten, um einen Antrieb für mikroelektronische Schwimmroboter zu generieren.
Künftig können weitere Sensorfunktionen integriert werden. Denkbar sind Sensoren für die Blutgasanalyse, den Nachweis von Biomolekülen und die Erfassung physiologischer Parameter wie pH-Wert, Temperatur und Blutdruck.
Der Teamleiter …
ist Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, der 2007 als Professor für Materialsysteme der Nanoelektronik an die TU Chemnitz berufen wurde und gleichzeitig von 2007 bis 2021 Direktor des Instituts für Integrative Nanowissenschaften am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden war. Er ist designierter wissenschaftlicher Direktor des von ihm initiierten Zentrums für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) an der TU Chemnitz. Für seine Arbeiten zur Erforschung, Herstellung und innovativen Anwendung funktioneller Nanostrukturen wurde er 2018 mit dem Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis - dem wichtigsten Forschungsförderpreis in Deutschland - geehrt. Schmidt ist Mitglied der sächsischen Akademie der Wissenschaften sowie der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (acatech).
