Biokompatible, umweltfreundliche Materialien für die Biomedizin
Technik (Mikroelektromechanische Systeme) (MEMS) sind Miniaturgeräte, dessen elektrische und mechanische Komponenten als System zusammenwirken. Da sie mikroskopisch klein sind und biologische Systeme erkennen bzw. manipulieren können, finden sie Anwendung in der biomedizinischen Forschung und klinischen Praxis. Biomedizinische Mikrosysteme eignen sich u. a. als Drucksensoren zur Messung des Hirn-, Blut- oder Augeninnendrucks, als Beschleunigungsmessgeräte, die Bewegungen und Vibrationen in biomedizinischen Systemen messen, aber auch für Ganganalysen oder die Überwachung körperlicher Aktivitäten und Tremor im Zusammenhang mit Bewegungsstörungen. Schließlich können Mikrosysteme mit Mikrofluidik-Technologien für Blutanalysen, Wirkstoffforschung, patientennahe Diagnostik und präzise Arzneimittelabgabe kombiniert werden.
Cerium als biokompatibles Material für Mikrosysteme
In vielen Mikrosystemen sind piezoelektrische Materialien verbaut, die dafür sorgen, dass bei mechanischer Belastung elektrischer Strom erzeugt wird, oder umgekehrt. In Mikrosystem-Sensoren bestehen die Sensorelemente aus piezoelektrischen Materialien: bei mechanischer Belastung erzeugt der piezoelektrische Kristall eine elektrische Spannung, die gemessen werden kann, um Veränderungen des Drucks, der Beschleunigung oder anderer physikalischer Parameter zu bestimmen. Da die meisten dieser Materialien jedoch giftiges Blei enthalten, sind umweltfreundlichere Alternativen gefragt. Das EU-finanzierte Projekt BioWings sollte die Einschränkung ausräumen und intelligente biokompatible Materialien entwickeln. „Schwerpunkte waren für uns Materialien auf Cerium-Basis als umweltfreundliche elektrostriktive Alternativen, die ihre Form verändern, sobald ein elektrisches Feld anliegt. Cerium-Materialien können auf andere Substrate wie Metall und flexible Materialien abgeschieden werden“, erklärt Projektkoordinatorin Nini Pryds. Zudem sind Oxidverbindungen auf Cerium-Basis vollständig mit Siliziumtechnologien kompatibel und reduzieren den Stromverbrauch der Mikrosysteme. All diese Eigenschaften machen sie zu idealen Kandidaten für biomedizinische Anwendungen.
De-novo-Produktion piezoelektrischer Materialien
Da die Eigenschaften piezoelektrischer Materialien von ihrer symmetrischen Kristallgeometrie abhängen, wurden in den letzten Jahren kaum noch neue piezoelektrische Materialien entdeckt. Damit Atome als Reaktion auf einen äußeren Reiz (z. B. Druck) ihre Position verändern und einen elektrischen Dipol bilden können, muss die Kristallstruktur unregelmäßig sein. BioWings umging diese Hürde, indem es eine externe Stromquelle anlegte und so nicht-piezoelektrische Materialien in piezoelektrische Materialien umwandelte. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung piezoelektrischer Materialien aus umweltfreundlichen Ressourcen.
Dünnschichttechnologie zur Verbesserung klinischer Diagnosegeräte
Das Konsortium arbeitete auch an einem hochmodernen Verfahren zur Abscheidung von Cerium-basierten Oxiddünnschichtfilmen auf Chips, was großes Potenzial hat, um akustisch-fluidische Geräte für biomedizinische Anwendungen voranzutreiben. Mittels Schallwellen erzeugen diese Geräte in Flüssigkeiten Schichten mit unterschiedlichem Druck, sodass eine Bewegung oder sogar Trennung der darin enthaltenen Partikel stattfindet. Zum Einsatz kommen sie, um biologische Zellen zu trennen. BioWings hat erfolgreich Oxid-Dünnschichtfilme auf Cerium-Basis entwickelt, die hochpräzise und reproduzierbar direkt auf dem Akustofluidik-Chip abgeschieden werden und auch zur Massenfertigung geeignet sind. Laut Pryds: „Mit dieser disruptiven Technologie können nun auch Krankenhäuser und Labore die Akustofluidik-Technologie für routinemäßige, kostengünstige Diagnostik und Forschung nutzen.“
Nachfolgeprojekte von BioWings
BioWings leistete Vorarbeit für die Nachfolgeprojekte PRISMA und AcouSome, um seine Technologie in innovative Produkte umzusetzen. Die Projektergebnisse tragen zur Weiterentwicklung implantierbarer Geräte wie Cochlea-Implantate, künstliche Netzhäute und neuronale Schnittstellen oder auch von Medikamentenverabreichungssystemen bei. Zudem könnten die Materialien von BioWings außerhalb des Medizinsektors Anwendung finden, etwa in der Mikroelektronik.
Schlüsselbegriffe
BioWings, Mikrosysteme, MEMS, piezoelektrische Materialien, Cerium-basierte Oxide, biokompatibel, biomedizinische Anwendungen, mikroelektromechanische Systeme, akustisch-fluidische Geräte, Dünnschichtfilme
