Hermetisch dichte Beschichtungen für Neuroimplantate

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Walter Lang; Professor Dr.-Ing. Hoc Khiem Trieu
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410498015

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Es gibt Krankheiten und Zustände, beispielsweise infolge von Schlaganfällen, bei denen es zu Schäden im Gehirn oder am Sehnerv kommt. Neuroimplantate können helfen, beispielsweise beim Locked-In-Syndrom, das infolge von Schlaganfällen auftreten kann, die Kommunikation mit der Umwelt zu ermöglichen oder bei Blindheit Signale ins Gehirn zu leiten, um Leuchterscheinungen, sogenannte Phosphene zu erzeugen. Damit könnten „Bilder” im Gehirn erzeugt werden und Blinde könnten eine sehr einfache Form des Sehens wiedererlangen. Da die Lebensdauer von Neuroimplantaten zu kurz für dauerhafte Anwendungen ist, gibt es Bestrebungen die Lebensdauer zu verlängern. Der Ansatz, der hier gewählt und in dieser Arbeit verfolgt wurde, um dies zu erreichen, besteht im Einbringen von Zwischenschichten. Dabei werden oxidische Schichten zwischen den Polyimid-Schichten, kurz PI, eingebracht, so dass die Leiterbahnen aus Gold komplett umfasst werden. Die Zwischenschichten werden mittels des HIPIMS-Verfahrens aufgebracht. Dieses Verfahren ermöglicht es dichtere Schichten zu erzeugen, als dies sonst bei PVD- Verfahren üblich ist. Als Ausgangsmaterial wurde Polyimid verwendet. Neben seiner Verwendung für Neuroimplantate hat die Herstellung der Proben als Folie den Vorteil, dass damit Erkenntnisse für künftige Implantate gesammelt werden können. Es wurden Proben mit verschiedenen Schichten und Schichtkombinationen realisiert und einem Langzeittest mit beschleunigter Alterung in temperierter Salzlösung unterzogen. Der Ausfall der Proben wurde elektrisch und optisch untersucht. Die besten Ergebnisse wurden mit einer Vorbehandlung durch ein Sauerstoffplasma sowie mit Zwischenschichten aus Aluminiumoxid realisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lebensdauer von Neuroimplantaten deutlich erhöht werden kann. Für eine technologische Umsetzung sind weitere Technologieentwicklung und letztlich auch in vivo Untersuchungen nötig. Wie die Untersuchungen von komplexen Geometrien und die Parylen-Schichtcharakterisierungen zeigten, adsorbieren die mit den derzeitigen Herstellungsmethoden abgeschiedenen Parylen C- Schichten Feuchtigkeit. Dies resultiert in einer Verringerung der Impedanz, die bei entsprechend dicken Schichten dennoch ausreichend hoch bleibt. Kritisch ist bei Parylen-C die Schichthaftung, deren Verbesserung weiterhin ein Forschungsgegenstand bleibt. Auch die Verbesserung der Dichtigkeit von dünnen biokompatiblen Parylen C-Schichten im Sub-Mikrometerbereich ist eine interessante wissenschaftliche Fragestellung. Ta2O5-ALD-Schichten erweisen sich in diesem Projekt als ein vielversprechender Kandidat für die Verkapselung medizinischer Implantate. Der festgestellte Zusammenhang zwischen Abscheidebedingung und der daraus resultierenden Schichtspannung und Schichtqualität (z.B. Pinhole-Dichte) ist neu und ermöglicht zukünftig eine systematische Optimierung der Verkapselung. Es wird empfohlen Ta2O5-ALD-Schichten für diesen Zweck weiter zu untersuchen und ihre Anwendbarkeit innerhalb möglicher Langzeittests zu verifizieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Adhesion of HIPIMS-Deposited Gold to a Polyimide Substrate. Coatings, 13(2), 250.
  Guljakow, Jürgen & Lang, Walter
  
• Failure Reason of PI Test Samples of Neural Implants. Sensors, 23(3), 1340.
  Guljakow, Jürgen & Lang, Walter