Neueste Forschung macht Fortschritte auf dem Weg zu 3D-lasergedruckter medizinischer Elektronik

Forscher der University of Lancaster haben einen Schritt in Richtung 3D-Laserdruck von Materialien unternommen, die möglicherweise bei chirurgischen Eingriffen zur Implantation oder Reparatur medizinischer Geräte verwendet werden könnten. Das Wissenschaftlerteam hat eine Methode für den 3D-Druck flexibler Elektronik aus dem leitfähigen Polymer Polypyrrol entwickelt.

Die Forscher sind der Meinung, dass diese Art von Verfahren, wenn sie voll entwickelt ist, das Potenzial hat, patientenspezifische Implantate für eine Vielzahl von Anwendungen zu drucken, einschließlich Echtzeit-Gesundheitsüberwachung und medizinischer Eingriffe, wie z. B. Epilepsie- oder Schmerzbehandlung.

Dr. John Hardy, Dozent für Materialchemie an der Universität Lancaster und einer der Hauptautoren der Studie, sagte: “Dieser Ansatz könnte die Herstellung komplexer 3D-Elektronik für technische und medizinische Anwendungen verändern – einschließlich Strukturen für Kommunikation, Displays und Sensoren. Solche Ansätze könnten die Art und Weise revolutionieren, wie wir medizinische Geräte implantieren, aber auch reparieren. So könnten derartige Technologien eines Tages eingesetzt werden, um defekte implantierte Elektronik durch ein Verfahren zu reparieren, das der Laserzahn- und Augenchirurgie ähnelt. Sobald sie ausgereift ist, könnte eine solche Technologie eine derzeit umfangreiche Operation in ein viel einfacheres, schnelleres, sichereres und billigeres Verfahren verwandeln.

In einer zweistufigen Studie verwendeten die Forscher einen Nanoscribe (einen hochauflösenden Laser-3D-Drucker), um einen elektrischen Schaltkreis direkt in eine Silikonmatrix zu drucken (unter Verwendung eines additiven Verfahrens). Sie wiesen nach, dass diese Elektronik Neuronen von Mäusen in vitro stimulieren kann (ähnlich wie neuronale Elektroden für die Tiefenhirnstimulation in vivo verwendet werden).

Dr. Damian Cummings, Dozent für Neurowissenschaften am University College London und Mitverfasser der Studie, der die Arbeiten zur Hirnstimulation leitete, sagte: “Wir haben Elektroden aus dem 3D-Drucker genommen und sie mit einer speziellen Elektronik versehen: “Wir haben 3D-gedruckte Elektroden auf einem Stück Mäusegehirngewebe angebracht, das wir in vitro am Leben erhalten haben. Auf diese Weise konnten wir neuronale Reaktionen hervorrufen, die den in vivo beobachteten ähnlich waren. Leicht anpassbare Implantate für ein breites Spektrum von Geweben bieten sowohl therapeutisches Potenzial als auch die Möglichkeit, sie in vielen Forschungsbereichen einzusetzen”.

In der zweiten Phase der Studie druckten die Forscher die leitenden Strukturen direkt in Fadenwürmern in 3D, um zu zeigen, dass der gesamte Prozess (Tintenformulierungen, Laserbelichtung und Druck) mit lebenden Organismen kompatibel ist.

Dr. Alexandre Benedetto, Dozent für Biomedizin an der Universität Lancaster und ein weiterer Hauptautor der Studie, sagte: “Wir haben im Wesentlichen leitfähige Flecken auf winzige Würmer tätowiert, indem wir intelligente Tinte und Laser anstelle von Nadeln verwendet haben. Das hat uns gezeigt, dass diese Technologie die für medizinische Anwendungen erforderliche Auflösung, Sicherheit und den erforderlichen Komfort bieten kann. Obwohl Verbesserungen in der Infrarotlasertechnologie, der Formulierung von intelligenter Tinte und der Verabreichung entscheidend sein werden, um solche Ansätze in die Klinik zu übertragen, ebnet dies den Weg für sehr spannende biomedizinische Innovationen.”

Nach Ansicht der Forscher sind diese Ergebnisse ein wichtiger Schritt, der das Potenzial der additiven Fertigung für die Herstellung fortschrittlicher Materialtechnologien der nächsten Generation verdeutlicht – insbesondere für integrierte Elektronik für technische und maßgeschneiderte medizinische Anwendungen.

Die nächsten Entwicklungsschritte in der Forschung sind bereits im Gange: Es wird untersucht, welche Materialien gedruckt werden können, welche Arten von Strukturen gedruckt werden können und wie Prototypen entwickelt werden können, um sie potenziellen Endnutzern zu präsentieren, die an einer gemeinsamen Entwicklung der Technologie interessiert sein könnten. Die Forscher glauben, dass die Technologie noch etwa 10 bis 15 Jahre von ihrer vollständigen Entwicklung entfernt ist.

Ihre Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift Advanced Material Technologies unter dem Titel “Creating 3D objects with integrated electronics via multiphoton fabrication in vitro and in vivo” veröffentlicht.

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