Forscher entwickeln Tinten für den Entwurf von 3D-druckbarer flexibler Bioelektronik

Flexible Elektronik hat die Entwicklung von Sensoren, Aktoren, Mikrofluidik und Elektronik auf flexiblen, konformen und/oder dehnbaren Unterschichten für tragbare, implantierbare oder verschluckbare Anwendungen ermöglicht. Diese Geräte haben jedoch sehr unterschiedliche mechanische und biologische Eigenschaften im Vergleich zum menschlichen Gewebe und können daher nicht in den menschlichen Körper integriert werden.

Ein Forscherteam der Texas A&M University hat eine neue Klasse von Biomaterialtinten entwickelt, die die nativen Eigenschaften von hochleitfähigem menschlichem Gewebe, ähnlich wie Haut, nachahmen, was für die Verwendung der Tinte im 3D-Druck unerlässlich ist.

Diese Biomaterialtinte nutzt eine neue Klasse von 2D-Nanomaterialien, die als Molybdändisulfid (MoS2) bekannt sind. Die dünnschichtige Struktur von MoS2 enthält Defektzentren, die es chemisch aktiv machen und in Kombination mit modifizierter Gelatine ein flexibles Hydrogel ergeben, vergleichbar mit der Struktur von Götterspeise.

“Die Auswirkungen dieser Arbeit sind für den 3D-Druck weitreichend”, sagte Akhilesh Gaharwar, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Biomedizinische Technik und Presidential Impact Fellow. “Diese neu entwickelte Hydrogel-Tinte ist hochgradig biokompatibel und elektrisch leitfähig und ebnet den Weg für die nächste Generation der tragbaren und implantierbaren Bioelektronik.”

Die Tinte hat scherverdünnende Eigenschaften, deren Viskosität mit zunehmender Kraft abnimmt, so dass sie im Inneren der Tube fest ist, aber beim Zusammendrücken eher wie eine Flüssigkeit fließt, ähnlich wie Ketchup oder Zahnpasta. Das Team hat diese elektrisch leitfähigen Nanomaterialien in eine modifizierte Gelatine eingearbeitet, um eine Hydrogeltinte mit Eigenschaften herzustellen, die für die Entwicklung von Tinten für den 3D-Druck unerlässlich sind.

“Diese 3D-gedruckten Geräte sind extrem elastisch und können zusammengedrückt, gebogen oder verdreht werden, ohne zu brechen”, so Kaivalya Deo, Doktorandin in der Abteilung für biomedizinische Technik und Hauptautorin der Arbeit. “Darüber hinaus sind diese Geräte elektronisch aktiv, so dass sie dynamische menschliche Bewegungen überwachen können und den Weg für eine kontinuierliche Bewegungsüberwachung ebnen.”

Um die Tinte in 3D zu drucken, entwickelten die Forscher im Gaharwar-Labor einen kostengünstigen, quelloffenen 3D-Biodrucker mit mehreren Druckköpfen, der voll funktionsfähig und anpassbar ist und mit quelloffenen Tools und Freeware läuft. Dies ermöglicht es jedem Forscher, 3D-Biodrucker zu bauen, die auf seine eigenen Forschungsbedürfnisse zugeschnitten sind.

Die elektrisch leitfähige 3D-gedruckte Hydrogel-Tinte kann komplexe 3D-Schaltkreise erzeugen und ist nicht auf planare Designs beschränkt, so dass die Forscher eine anpassbare Bioelektronik herstellen können, die auf patientenspezifische Anforderungen zugeschnitten ist.

Mit Hilfe dieser 3D-Drucker konnte Deo elektrisch aktive und dehnbare elektronische Geräte drucken. Diese Bauteile weisen außergewöhnliche Dehnungsmessfähigkeiten auf und können für die Entwicklung anpassbarer Überwachungssysteme verwendet werden. Damit eröffnen sich auch neue Möglichkeiten für die Entwicklung dehnbarer Sensoren mit integrierten mikroelektronischen Komponenten.

Eine der potenziellen Anwendungen der neuen Tinte ist der 3D-Druck elektronischer Tätowierungen für Patienten mit der Parkinsonschen Krankheit. Die Forscher stellen sich vor, dass dieses gedruckte E-Tattoo die Bewegungen des Patienten, einschließlich des Zitterns, überwachen kann.

Dieses Projekt wird in Zusammenarbeit mit Dr. Anthony Guiseppi-Elie, Vizepräsident für akademische Angelegenheiten und Personalentwicklung am Tri-County Technical College in South Carolina, und Dr. Limei Tian, Assistenzprofessor für biomedizinische Technik an der Texas A&M, durchgeführt.

Die Studie wurde vom National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, dem National Institute of Neurological Disorders and Stroke und dem Texas A&M University President’s Excellence Fund finanziert. Ein vorläufiges Patent auf diese Technologie wurde in Zusammenarbeit mit der Texas A&M Engineering Experiment Station angemeldet.

Die vollständige Studie finden Sie hier.

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