Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Smart und mini: Innovationen für die Medizintechnik

20.11.2015

Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden und der TU Chemnitz forschen an dünnen Nanomembranen, die sich selbst zu Mikro- und Nanoröhren aufrollen. Die neuesten Ergebnisse zeigen das enorme Innovationspotential dieser ultradünnen, biegsamen und kostengünstig herzustellenden Röhrchen für die Medizintechnik: als Antennen für Implantate, als Sensoren in der neurologischen Diagnostik und als Wundverband für Nervenfasern. Derzeit entsteht in Chemnitz ein neues Forschungsgebäude: das Zentrum für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN), in dem diese Forschungsarbeiten aufgegriffen und weiterentwickelt werden sollen.

Dünne Schichten, die sich selbst zu Röhrchen aufrollen, sich mit großer Präzision selbstorganisiert auf Chips anordnen und als integrierte Bauelemente vielerlei Funktionen ausüben – das ist das Metier von Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Direktor des Instituts für Integrative Nanowissenschaften des IFW Dresden und Professor für Materialsysteme der Nanoelektronik an der TU Chemnitz.


Visualisierung der zu einer Manschette für Nervenzellen aufgerollten Membran aus stimuli-responsivem Hydrogel, das mit flexiblen elektronischen Bauelementen ausgestattet ist.

Graphik: IFW Dresden


Bauteil mit einer integrationsfähigen Anordnung von selbstorganisiert aufgerollten GMI-Sensoren. Die einzelnen Elemente sind ca. 1 Millimeter lang.

Bild: IFW Dresden

In drei seiner jüngsten Arbeiten, die gemeinsam mit seinen Forscherteams in Dresden und Chemnitz entstanden sind, wird das enorme Innovationspotential dieser aufgerollten Strukturen in der Medizintechnik offenbar.

„Die Kernidee beruht auf der Kombination flexibler Polymermembranen und verschiedener metallischer bzw. magnetischer Dünnschichten“, erklärt Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, „Diese Synergie eröffnet völlig neue Horizonte und erlaubt die Gestaltung einer faszinierenden Klasse von Sensoren, Antennen und integrierten Schaltkreisen mit einer neuartigen Funktionalität der Verformbarkeit.“

Smarter Wundverband für Nervenzellen

Selbstorganisiert aufgerollte Mikroröhrchen mit integrierter Elektronik könnten als Wundverband für defekte oder heilende Nervenstränge dienen. Möglich wird das durch die Kombination von mechanisch flexibler Elektronik mit sogenannten stimuli-responsiven Materialien.

Dies sind Polymere, die auf spezifische Anregungen mit reversiblen Formveränderungen reagieren können, indem sie zum Beispiel anschwellen, sich verdrehen, verlängern oder krümmen. Der Prototyp einer solchen Nervenmanschette wurde am IFW Dresden entwickelt.

Sie besteht aus einem Hydrogel-Mikroröhrchen als stimuli-responsivem Material, das mit flexiblen elektronischen Bauelementen in Form eines Verstärkers und einer Logikeinheit auf der Basis von Gallium-Zink-Oxid-Transistoren ausgestattet ist. Die Formveränderungen können von außen über die Temperatur, die Zusammensetzung der Lösung oder den pH-Wert manipuliert werden.

Die elektronischen Bauteile behalten dabei ihre volle Funktionalität, egal ob die Manschette plan, gebogen oder zu einem Röhrchen aufgerollt ist. Dabei werden Durchmesser von ca. 50 Mikrometern erreicht, was der Größenordnung von Nervenfasern entspricht. Die Möglichkeit, die Manschetten durch äußere Einflüsse zu öffnen und zu schließen, macht ihre Anwendung als Verband für Nervenzellen zwecks Regeneration, Überwachung oder Stimulierung besonders attraktiv.

Die Forschungsergebnisse entstanden in Zusammenarbeit mit Forschern der ETH Zürich und wurden in der Zeitschrift „Advanced Materials“ veröffentlicht: Daniil Karnaushenko, Niko Münzenrieder, Dmitriy Karnaushenko, Britta Koch, Anne K. Meyer, Stefan Baunack, Luisa Petti, Gerhard Tröster, Denys Makarov, and Oliver G. Schmidt: Biomimetic Microelectronics for Regenerative Neuronal Cuff Implants, Advanced Materials 27, 6797 (2015)
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.v27.43/issuetoc
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201503696/full

Miniaturisierte Sensoren für bessere neurologische Diagnostik

Neuartige miniaturisierte Magnetsensoren bestehen aus dünnen Nickel-, Eisen- und Kupferschichten, die auf einem Polymersubstrat abgeschieden werden und sich anschließend durch Erzeugung einer inneren Spannung selbstorganisiert zu Mikroröhrchen aufrollen. Die so entstandenen 3D-Architekturen aus aufgerollten Nickel-, Eisen- und Kupferschichten zeichnen sich durch eine besondere magnetische Eigenschaft aus, die für die Anwendung in der Medizintechnik, insbesondere in der neurologischen Diagnostik, von größtem Interesse sein dürfte: den sogenannten GMI-Effekt.

Der Name leitet sich vom englischen Begriff Giant Magneto Impedance ab und bedeutet so viel wie Riesen-Magnet-Impedanz. Er bedeutet, dass sich der Wechselstromwiderstand eines ferromagnetischen Leiters oder Schichtsystems unter dem Einfluss eines externen Magnetfeldes vergleichsweise stark ändert. Dieser Effekt kann genutzt werden, um winzige Magnetfeldänderungen, wie sie z.B. in Folge von Gehirnströmen entstehen, zu detektieren.

Die aufgerollten GMI–Sensoren können Grundlage einer neuen Generation von Magneto-Enzephalografie-Geräten (MEG) sein. Konventionell in der neurologischen Diagnostik eingesetzte MEGs basieren auf supraleitenden Komponenten, die mit Helium gekühlt werden müssen und entsprechend teuer in der Anschaffung und im Betrieb sind. Der größte Vorteil der neuen GMI-Sensoren ist, dass sie aufgrund der einfachen Bau- und Funktionsweise in einem viel geringeren Abstand zum Objekt platziert werden können.

Während konventionelle MEGs Magnetfeldänderungen im Abstand von ca. 50 Millimetern messen, könnten die neuen GMI-Sensoren auf eine Distanz von 10 Millimetern platziert werden und empfangen damit ein viel stärkeres magnetisches Signal. Durch die Miniaturisierung des Sensors könnten MEG-Geräte künftig auch transportabel werden.

Ein weiterer, nicht zu unterschätzender Vorteil der neuen GMI-Sensoren besteht darin, dass sie direkt in Chips integrierbar und mit der in der Halbleiterindustrie verwendeten CMOS-Technologie (Complementary metal-oxide-semiconductor) kompatibel sind. Das vereinfacht die Herstellung und macht sie kostengünstig.

Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift „Advanced Materials“ veröffentlicht: Daniil Karnaushenko, Dmitriy D. Karnaushenko, Denys Makarov, Stefan Baunack, Rudolf Schäfer, and Oliver G. Schmidt: Self-Assembled On-Chip-Integrated Giant Magneto-Impedance Sensorics, Advanced Materials 2015, DOI: 10.1002/adma.201503127

Antennen für smarte Implantate

Ein weiteres Anwendungsfeld aufgerollter Strukturen ist der Einsatz als miniaturisierte biokompatible Antennen, die Informationen zu physiologischen Prozessen wie z.B. zur Wundheilung erfassen, bewerten und an den Arzt oder den Patienten selbst senden. Prof. Oliver G. Schmidt und seine Kollegen haben für diese Anwendung spiralförmige Antennen entwickelt. Sie haben einen Durchmesser von nur 0,2 Millimeter und sind 5,5 Millimeter lang.

Damit können die Spiralantennen auf einfache Weise mit üblichen Spritzen implantiert werden. Sie arbeiten im Frequenzband von 5,8 und 2,4 GHz und weisen die in der Elektrotechnik übliche Impedanz von 50 Ohm auf. Die Forscher konnten zeigen, dass die Signalübertragung zwischen einzelnen Antennen und zwischen Antenne und Smartphone zuverlässig funktioniert. Da die Antennen in selbstorganisierenden Prozessabläufen herstellbar sind, kann eine kostengünstige Produktion in großen Stückzahlen realisiert werden.

Veröffentlicht sind die Ergebnisse in der Zeitschrift „NPG Asia Materials“: Dmitriy D. Karnaushenko, Daniil Karnaushenko, Denys Makarov and Oliver G. Schmidt, Compact helical antenna for smart implant applications NPG Asia Materials (2015) 7, e188; doi:10.1038/am.2015.53

ÜBER DAS IFW DRESDEN UND DIE KOOPERATION MIT DER TU CHEMNITZ

Das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden – kurz das IFW Dresden – ist ein nicht-universitäres Forschungsinstitut und Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft. Dieses Institut beschäftigt sich mit moderner Materialwissenschaft und kombiniert Forschungstätigkeiten in Physik, Chemie und Materialwissenschaften mit der technologischen Entwicklung neuer Materialien und Produkte. Das IFW Dresden beschäftigt rund 530 Mitarbeiter, davon 320 Wissenschaftler, größtenteils Physiker, Chemiker und Materialingenieure. Seit 2010 betreibt das IFW eine Außenstelle im Start up-Gebäude auf dem Chemnitzer Smart Systems Campus in unmittelbarer Nähe der Technischen Universität. Prof. Dr. Oliver G. Schmidt leitet im IFW Dresden das Institut für Integrative Nanowissenschaften und ist gleichzeitig Professor für Materialsysteme der Nanoelektronik an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Chemnitz. Auf der Basis dieser gemeinsamen Berufung hat sich eine enge Kooperation zwischen dem IFW und der TU Chemnitz entwickelt, in die auch Studenten und Doktoranden der TU Chemnitz eingebunden sind.

Kontakt:
Prof. Dr. Oliver G. Schmidt
Institut für Integrative Nanowissenschaften am IFW Dresden
Helmholtzstraße 20
01069 Dresden
Tel: +49/(0)351/4659-800
E-Mail: o.schmidt@ifw-dresden.de
http://www.ifw-dresden.de/institutes/iin

Dr. Daniil Karnaushenko
Institut für Integrative Nanowissenschaften am IFW Dresden
Helmholtzstraße 20
01069 Dresden
Tel: +49/(0)351/4659-766
E-Mail: d.karnaushenko@ifw-dresden.de
http://www.ifw-dresden.de/institutes/iin

Weitere Informationen:

http://www.ifw-dresden.de/institutes/iin

Dr. Carola Langer | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizintechnik:

nachricht UKR setzt auf roboterassistierte Wirbelsäulenchirurgie
02.12.2016 | Universitätsklinikum Regensburg (UKR)

nachricht Neu entwickeltes Plasmaskalpell ermöglicht schonende Operationen
22.11.2016 | FH Aachen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizintechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie