Forscher entwickeln neuartiges, biokompatibles Resin für menschliche Implantate

Mit Hilfe der Multiphotonenlithographie (MPL) entwickelten Wissenschaftlern der University of Houston nun eine Methode, mit der eines Tages Biosensoren in menschliche Körper implantiert werden könnten.

Hierfür nutzt das Team ein spezielles 3D-Druck-Resin, das mit einerm organischen Halbleitermatieral beladen ist. So werden beim Druck nach und nach kleine biokompatible Leiterplatten hergestellt. Dieses Verfahren wurde bereits bei der Herstellung von Glukosesensoren angewandt, nun sehen die Wissenschaftler jedoch die Möglichkeit einer ganz neuen generation an bioelektronischer Geräte.

“Hier wird ein homogenes und transparentes lichtempfindliches Harz eingeführt, das mit einem organischen Halbleitermaterial (OS) dotiert ist, um eine Vielzahl von 3D-OS-Komposit-Mikrostrukturen (OSCM) herzustellen”, schreibt das Team in seinem Beitrag. “Unsere Ergebnisse zeigen das große Potenzial dieser Bauelemente für eine Vielzahl von Anwendungen, von flexibler Bioelektronik über Nanoelektronik bis hin zu Organ-on-a-Chip-Bauelementen”.

Leitfähige, biokompatible Implantate

Bislang wird die Realisierbarkeit solcher Bio-Implantate nur durch die geringe Leitfähigkeit dieser. Das Team sieht den Grund hierfür in den verwendeten Materialien für solche Protoypen: Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen. Dessen anorganische Eigenschaften vermischen sich nur schwer in Harzen zu einer homogenen Masse.

Um diese Nachteile zu kontern, hat das Houstoner Team ein eigenes MPL-Harz entwickelt, welches aus mit DMSO beladenem PEGA-Polymer, einem organischen PEDOT:PSS-Halbleiter, Laminin und Glukoseoxidase besteht. Dieses lässt sich präzise zu Mini-Bio-Schaltkreisen mit homogenen Eigenschaften drucken.

Zytokompatible PCBs

Das Team wählte Laminin aufgrund seiner Eigenschaften die Zellanhaftung, Signalübertragung und Migration zu erleichtern. Nachdem sich dieses in Tests bewährt hat, druckte das Team weitere kleine komplexe Mikrostrukturen, die sie 48 Stunden lang in Mäusegewebe kultivierte. Bei dieser Probe wurden Anzeichen für ein “verbessertes Überleben” festgestellt, so dass weitere Tests druchgeführt werden konnten.

Das nun als biokompatibel getestete Implantat musste sclhießlich auf seine elektrochemischen Eigenschaften getestet werden. Tests bei der biologisch relevanten Frequenz von 1 kHz zeigten, dass die elektrische Impedanz der Leiterplatten des Teams bei allen Frequenzen (1 bis 105 Hz) mit zunehmendem Durchmesser der Mikroelektroden abnahm, was, laut den Wissenschaftlern, mit den zuvor berichteten Ergebnissen übereinstimmt.

Mit Anlehnung an die bisherigen Anwendungsgebiete dieser Technologie demonstrierten die Forscher  einen neuartigen Biosensor, der elektrische Ströme nutzt, um den Glukosespiegel mit hoher Stabilität und Präzision zu messen. Mit einer 10-Mal höhreren Genauigkeit als herkömmliche Messgeräte, zeigt dieses Beispiel die Möglichkeiten, die diese Technologie beitet die Entwicklung kybernetischer Implantate für Menschen zu beschleunigen.

“Wir gehen davon aus, dass die vorgestellten MPL-kompatiblen OS-Kompositharze den Weg für die Herstellung weicher, bioaktiver und leitfähiger Mikrostrukturen für verschiedene Anwendungen in den aufstrebenden Bereichen der flexiblen Bioelektronik/Biosensoren, Nanoelektronik, Organ-on-Chips und Immunzelltherapien ebnen werden”, so die Forscher in ihrem Papier.

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