Transformierbares 3D Elektrodensystem zur Benetzung von biologischen Geweben

• Antragsteller: Professor Yoon Seok Park, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388060870

Für die Überwachung, Behandlung bzw. den Ersatz von biologischem Gewebe in einem Körper wird eine Verbindung zwischen dem Lebewesen und der Elektronik benötigt. Allerdings sind die flachen, steifen Schnittstellen von elektronischen Geräten sehr unterschiedlich zu den Oberflächen, die in der Natur zu finden sind. Deshalb sind die Schnittstellen konventioneller Elektronik immer noch ungeeignet, um eine gute Verbindung mit biologischem Gewebe einzugehen. Dieser Unterschied hat größere Lücken zwischen einigen Teilen des Gewebes und den Elektroden zur Folge, was zu einer schlechten Kontaktierung führt und die Möglichkeit der Überwachung oder Stimulation des Gewebes erheblich einschränkt. Um dieses Problem zu lösen, werden flexible Materialien benötigt, die sich an verschiedene Formen anpassen können. Die Forschungsgruppe um Prof. Rogers, erforscht solche ultradünnen, flexiblen Kontakte zwischen einer biologisch-integrierten Elektronik und dem Gehirn. Wenn allerdings eine Furche kleiner ist als an der Hirnoberfäche (< 2 mm), wie etwa im Fall der Netzhaut im Auge (0,5 – 4 µm), ist die Flexibilität der Elektrode allein nicht ausreichend und die Kontaktfläche zwischen dem Gerät und den Zellen wird ungenügend sein. Deshalb wird in diesem Antrag ein flexibles 3D Elektrodensystem vorgeschlagen. Das transformierbare Elektrodensystem ist eine Verbindung aus dem bekannten Verfahren der Anordnung einer 3D Struktur durch kompressive Verkrümmung und einer neuen Möglichkeit, die Dehnung des Silikonsubstrates unter Zugspannung aufrecht zuerhalten. Die kompressive Verkrümmung nutzt zwei Komponenten. Die eine ist ein gedehntes Silikonsubstrat und die andere eine 2D Struktur, die auf das gedehnte Substrat aufgebracht ist. Die 2D Struktur wird zusammengestaucht und in eine dreidimensionale Struktur umgeformt, wenn die Zugspannung vom gedehnten Substrat genommen wird. Um die Zugspannung des gedehnten Silikonsubstrats aufrecht zu erhalten, wird eine zweites Verfahren benötigt: wasserlösliche Seidenfasern werden auf das gedehnte Silikonsubstrat aufgetragen und aufgelöst, sobald die kompressive Verkrümmung benötigt wird. Das Funktionsprinzip des transformierbaren Elektrodensystems ist: (i) die zweidimensionale Elektrode, welche sich später in die 3D Elektrode transformiert, wird auf der Schicht, welche die Zugspannung aufrecht erhält, mittels Transferdruck aufgebracht. (ii) Die präparierte, transformierbare Elektrode wird nun auf dem Zielgewebe platziert. (iii) Nach dem Anhaften am Gewebe wird die wasserlösliche Schicht aufgelöst und die Zugspannung vom gedehnten Silikonsubstrat genommen. (iv) Letztlich transformiert sich die 2D Elektrode in eine dreidimensionale Struktur um, welche einen engen Kontakt zum gekrümmten Gewebe ermöglicht. Die vorgeschlagene Idee bietet eine leistungsfähige Verbindung zwischen der Elektronik und dem komplexen biologischen Gewebe. Somit wird eine präzise Überwachung oder Stimulation des Gewebes durch die Elektroden ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Beteiligte Institution: Northwestern University ; Department of Materials Science and Engineering
• Gastgeber: Professor John A. Rogers, Ph.D.