Neue Werkstoffe für die Medizinelektronik

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Leiterplatten aus Polyurethan, Implantatbeschichtungen aus Florfliegenseide oder 3D-gedruckte, magnethaltige Kunststoffe: Wie neue Basismaterialien, Oberflächenmodifikationen und innovative Fertigungsverfahren die Medizinelektronik verändern.

Innovative Werkstoffe bilden die Basis für die nächste Generation medizinischer Geräte mit neuen oder verbesserten Eigenschaften, zum Beispiel in Hinblick auf Formbarkeit, Robustheit, Biokompatibilität, Rohstoffverbrauch oder Recyclingfähigkeit.

Dehnbare Elektronik: Leiterplatten aus Polyurethan

Medizinelektronische Anwendungen wie Implantate, Prothesen, Sensoren, Pflaster, Textilelektronik und Wearables setzen neben Hautverträglichkeit insbesondere auch die Dehnbarkeit des elektronischen Systems voraus. Das Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) (electronica, Halle C5 Stand 426) hat dehnbare Leiterplatten entwickelt, sogenannte „Stretchable Circuit Boards“ (SCB). Als Trägermaterial kommt dabei – anders als bei den herkömmlichen starren oder flexiblen Leiterplatten aus Glasfaser-Epoxid-Verbund, beziehungsweise Polyimid (PI), Polyethylenterephthalat (PET) oder Polyethylennaphtalat (PEN) – thermoplastisches Polyurethan (PUR) zum Einsatz.

Die weichen und hautfreundlichen Eigenschaften von Polyurethan sind prädestiniert für medizinische Anwendungen am und im menschlichen Körper. Das Material ist formbar, dehnbar und weist eine gute physikalische und chemische Stabilität auf. Die Leiterzüge bestehen wie bei konventionellen Leiterplatten aus Kupfer. Da Metalle jedoch eine niedrige intrinsische Dehnbarkeit aufweisen, werden die Leiterbahnstrukturen zu einer Wellen- oder Mäandergeometrie geformt. Dieses spezielle Design bewirkt, dass sich die metallischen Leiter einmalig bis zu 300 Prozent dehnen lassen. Bei wiederholten Dehnungen um wenige Prozent sind sogar einige Zehntausend Wiederholungen möglich, bevor es zu Ermüdungsbrüchen des Kupfers kommt.

Dehnbare elektronische Systeme bieten zahlreiche geometrische Gestaltungs- und Miniaturisierungsoptionen und ermöglichen neue mechanische Freiheitsgrade. Sie lassen sich an den menschlichen Körper anpassen, falten, zusammenknüllen, um die Ecke bauen und sogar waschen. So hat Würth Elektronik (electronica, Halle C3 Stand 151) auf Basis der Technologie eine dehnbare Twinflex-Stretch-Leiterplatte aus Polyurethan angefertigt, die in einem Messgürtel der Schweizer Firma Swisstom zum Einsatz kommt. Damit lassen sich Herz- und Lungenfunktionen von Säuglingen direkt auf der Haut messen – sanft und schonend ohne Radiologie.

Smarte Textilien: gestrickte Schaltflächen

Sie leiten Strom, erzeugen Energie, heizen, leuchten oder geben Wirkstoffe ab: Zu den innovativsten Materialien in der Medizintechnik gehören intelligente Funktionstextilien. Der weltweite Markt für smarte Textilien soll sich mit einer jährlichen Wachstumsrate von 20 bis 30 Prozent entwickeln, prognostiziert das Zentrum für Europäische Wirtschaftsforschung (ZEW).

Bis 2022 soll das Marktvolumen auf knapp 4,7 Milliarden Euro steigen und 2030 rund 41,4 Milliarden Euro betragen. Mal ist die Elektronik ins Garn eingewebt, mal ist das verarbeitete Material selbst leitfähig. Passive smarte Textilien nehmen ihre Umgebung wahr. Dazu gehört Kleidung mit integrierten Miniatursensoren für die Messung der Herz- und Atemfrequenz oder der Körpertemperatur. Aktive smarte Textilien können auch reagieren, zum Beispiel Patienten durch Elektrostimulation beim Reha-Training unterstützen.

Der Fachbereich Textil- und Bekleidungstechnik der Hochschule Niederrhein arbeitet an faserbasierten elektrochemischen Transistoren für Textilien. Dazu werden elektrisch leitfähige Fäden mit einem leitfähigen Polymer beschichtet und in Kett- und Schussrichtung – also kreuzend – in einem textilen Gewebe verarbeitet. Auf ihrem Kreuzungspunkt werden punktförmig Halbleitermaterialien aufgetragen, so dass ein elektrochemischer Transistor entsteht. Dann lassen sich von außen steuerbare Schaltvorgänge auslösen. Die Langzeitvision der Forscher ist eine elektronische Textilstruktur, die gezielt den Herzmuskel stimulieren und somit ein insuffizientes Herz unterstützen kann.

Das Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme (IMMS) und die Strickmanufaktur Zella entwickelten eine Strickjacke mit integrierter drahtloser textiler Tastatur für Menschen mit motorischen Einschränkungen. Um Geräte zu bedienen, Türen zu öffnen oder Handys zu steuern, muss der Nutzer der lediglich die aus elektrisch leitfähigen Fäden gestrickten Schaltflächen der „Smart Jacket“ drücken. Die integrierte Elektronik leitet den Befehl dann per Funk zum Empfänger. Die Belegung der Schalter lässt sich individuell per Smartphone-App konfigurieren.

Oberflächenmodifikationen und Beschichtungen

Oberflächenbehandlungen verleihen Materialien zusätzliche Funktionalitäten. Sie können beispielsweise die Reibung reduzieren oder erhöhen, die Haptik verbessern, Medienresistenzen schaffen oder chemische Eigenschaften hinzufügen. Biologische Implantatbeschichtungen – unter anderem mit Proteinen – tragen dazu bei, dass menschliche Zellen schneller anwachsen und die Implantate infolge schneller einheilen.

Mit Plasmabehandlungen lassen sich die Oberflächen von Medizinprodukten quasi neu programmieren. Wenn etwa eine Baukomponente aus Silikon, das einen hohen Reibungskoeffizienten hat, mit Plasma behandelt wird, reduziert sich die Reibung. Das ist bei Bauteilen von Vorteil, bei denen Gleitbewegungen erwünscht sind, wie bei Komponenten von endoskopischen Kathetern oder Herzschrittmachern. Ebenso kann man mit Plasmaprozessen bioaktive Schichten mit guter Anhaftung erzeugen und die Präzision und Langlebigkeit von Komponenten erhöhen.

Ein Bauelement lässt sich auch modifizieren, indem man seine Oberfläche mit einer Mikro- oder Nanostruktur versieht, die wasserabweisend ist oder die Anhaftung von Partikeln hemmt. Zur Königsdisziplin gehören Wirkstoffbeschichtungen: Das Anwendungsspektrum reicht von implantierbaren medikamentfreisetzenden Stents (Gefäßstützen), über elektronische Medikamente und Pflaster mit kontrollierter Wirkstofffreisetzung bis hin zum medikamentenbeschichteten Ballonkathetern, den „Drug-Coated Balloons“ (DCB).

Hochleistungsbeschichtung: Biofasern aus Florfliegenseide

An der Herstellung neuartiger Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege arbeitet das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) gemeinsam mit der Firma Amsilk. Die hochgradig biegesteife Faser könnte zum Beispiel als biokompatible Seidenbeschichtungen bei Implantaten zum Einsatz kommen. Florfliegen lagern ihre Eier auf der Unterseite von Blättern an der Spitze stabiler seidener Fäden ab. Obwohl diese Eierstiele nur 15 Mikrometer dick sind, tragen sie das Gewicht der Eier problemlos.

Um die Faser herzustellen, sondert die Florfliege auf dem Blatt ein Proteinsekret ab. Das Ei wird anschließend in den Tropfen gelegt und senkrecht zur Oberfläche herausgezogen. Der entstehende Seidenfaden härtet an der Luft aus. Die mechanischen Eigenschaften dieser Eierstiele möchten die Forscher für technische Fasern nachbilden. Sie arbeiten an einem Herstellungsverfahren, mit dem sich das Seidenprotein kostengünstig in industrierelevanten Mengen produzieren lässt.

3D-Druck: komplexe Geometrien und magnethaltiges Plastik

Welche Eigenschaften Anwendungen im Medizinbereich haben, hängt nicht nur vom Material selbst, sondern auch vom Fertigungsverfahren ab. So ermöglicht beispielsweise der 3D-Druck mit hydrophoben, dielektrischen, hitzebeständigen und kälteflexiblen Silikonen die Fertigung von komplexen Geometrien mit Hohlräumen, Gitterstrukturen und Überhängen, individualisierte Produkte wie an den Patienten angepasste Implantate und Prothesen, personalisierte Medizininstrumente und anatomische 3D-Modelle, an denen Chirurgen vor der Operation üben können.

Forscher der ETH Zürich haben das 3D-Druckverfahren Embedded Magnet Printing entwickelt, mit dem sich erstmals magnethaltige Objekte 3D-drucken lassen. Als Anwendungsbeispiel wurde aus einer Polymer-Magnetpulver-Mischung eine künstliche Herzpumpe produziert. Bei dem neuen Verfahren werden die Magnete direkt in das Plastik eingedruckt. Dazu werden Magnetpulver und Kunststoff vor dem Drucken gemischt und zu Strängen – sogenannten Filamenten – verarbeitet. Eine Düse gibt die am Computer generierte Form mit den verschiedenen Komponenten automatisch aus. Zum Schluss wird das gedruckte Teil in einem externen Feld magnetisiert. Bislang werden komplexe medizinische Geräte, die Magneten enthalten, in aufwändigen Spritzgussverfahren hergestellt. 3D-Druck könnte diesen Prozess um ein Vielfaches schneller und preisgünstiger machen.

electronica 2018

Mehr über Embedded, Medical Electronics und 3D-Druck in der Medizin und im Gesundheitswesen erfahren Sie auf der electronica Medical Electronics Conference und auf dem Medical Electronics Forum.

 

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