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Forschern der britischen Lancaster University ist es gelungen, bei der Forschung an Laser-3D-gedruckter Materialien voranzukommen. Diese könnten bei chirurgischen Eingriffen zur Implantation oder Reparatur medizinischer Geräte eingesetzt werden. Wir stellen die Forschungsarbeit einmal vor.

Forscher der britischen Lancaster University haben in einer Pressemitteilung über ihre Fortschritte bei Laser-3D-gedruckten Materialien berichtet, die sich für chirurgische Eingriffe zur Implantation oder Reparatur medizinischer Geräte verwenden lassen. Unter anderem ist es ihnen gelungen, ein 3D-Druckverfahren für flexible Elektronik mithilfe eines leitfähigen Polymers Polypyrrol zu entwickeln. Die Ergebnisse ihrer Arbeit veröffentlichten sie in einem Artikel mit dem Titel „Creating 3D Objects with Integrated Electronics via Multiphoton Fabrication In Vitro and In Vivo“ im Fachjournal Advanced Materials Technologies.

Flexible 3D-gedruckte Elektronik
Die Forscher konnten elektrische Strukturen auf oder in lebenden Organismen durch Tests an Spulwürmern in 3D drucken. Das Projekt befindet sich noch in der Proof-of-Concept-Phase, soll aber, sobald der Prozess voll entwickelt ist, das Potenzial haben, patientenspezifische Implantate für zahlreiche Anwendungen wie Echtzeit-Gesundheitsüberwachung und medizinische Interventionen, wie die Behandlung von Epilepsie oder Schmerz zu ermöglichen.

Dr. John Hardy, Seniro Lecturer für Materialchemie an der Lancaster University und einer der Hauptautoren der Studie, sagte:

„Dieser Ansatz verändert möglicherweise die Herstellung komplexer 3D-Elektronik für technische und medizinische Anwendungen, einschließlich Strukturen für Kommunikation, Displays und Sensoren. Solche Ansätze könnten die Art und Weise revolutionieren, wie wir medizinische Geräte implantieren, aber auch reparieren. Technologien wie diese könnten eines Tages verwendet werden, um defekte implantierte Elektronik durch einen Prozess zu reparieren, der der Laser-Zahn-/Augenchirurgie ähnelt. Ist die Technologie voll ausgereift, könnten große Operationen in ein deutlich einfacheres, schnelleres, sichereres und billigeres Verfahren verwandelt werden.“

Für ihre zweistufige Studie verwendeten die Forscher einen hochauflösenden 3D-Drucker von Nanoscribe und druckten mithilfe der Multiphotonenherstellung, die auch bekannt ist als direktes Laserschreiben, eine elektrische Schaltung direkt in eine Silikonmatrix in 3D.

Dr. Hungyen Lin, Senior Lecturer für Elektrotechnik an der Lancaster University und Prof. Yaochun Shen, Professor für Elektrotechnik an der University of Liverpool , sagten:

„Es gelang uns, die Genauigkeit der in die Matrix eingebetteten gedruckten Strukturen mit einem kostengünstigen und schnellen optischen Kohärenztomografieverfahren vollständig zu charakterisieren. Die kürzlich an der University of Liverpool entwickelte Bildgebungstechnologie kann ein vollständiges Querschnittsbild von gedruckten 3D-Objekten in einer einzigen Aufnahme erfassen, ohne dass ein Scannen erforderlich ist, was sie für viele potenzielle industrielle Anwendungen wie die Offline-Qualitätsprüfung und vor Ort attraktiv macht Prozessüberwachung. Mit den daraus gewonnenen Informationen könnten das Design, die Materialauswahl und die Prozessoptimierung dieser Ausdrucke in Zukunft schnell und kostengünstig unterstützt werden.“

Die Elektronik aus der Studie konnte ähnlich wie neurale Elektroden für die tiefe Hirnstimulation verwendet werden Mäuseneuronen in vitro stimulieren.

Dr. Damian Cummings, Dozent für Neurowissenschaften am University College London, ein Mitautor der Studie, der die Hirnstimulationsarbeit leitete, sagte:

„Wir nahmen 3D-gedruckte Elektroden und platzierten sie auf einem Stück Gehirngewebe einer Maus, in dem wir am Leben blieben vitro. Mit diesem Ansatz konnten wir neuronale Reaktionen hervorrufen, die denen ähnelten, die in vivo beobachtet wurden. Fertig angepasste Implantate für eine Vielzahl von Geweben bieten Potenziale in Therapien und der Forschung.“

Mit lebenden Organismen kompatibel
In der zweiten Phase der Studie druckten die Forscher leitende Strukturen direkt in Nematodenwürmern in 3D. Dadurch zeigten sie, dass der gesamte Prozess, einschließlich der Tintenformulierung, Laserbelichtung und Druck, mit lebenden Organismen kompatibel ist.

Dr. Alexandre Benedetto, Senior Lecturer für Biomedizin an der Lancaster University und ein weiterer Hauptautor der Studie, sagte:

„Wir haben im Wesentlichen leitfähige Flecken auf winzige Würmer tätowiert, indem wir intelligente Tinte und Laser anstelle von Nadeln verwendet haben. Es hat uns gezeigt, dass eine solche Technologie die für medizinische Anwendungen erforderlichen Auflösungs-, Sicherheits- und Komfortniveaus erreichen kann. Obwohl die Verbesserung der Infrarotlasertechnologie, der intelligenten Tintenformulierung und -abgabe entscheidend für die Umsetzung solcher Ansätze in die Klinik sein wird, ebnet sie den Weg für sehr aufregende biomedizinische Innovationen.“

Für die Forscher ist das Ergebnis ihrer Arbeit ein wichtiger Schritt, das Potenzial von 3D-Druckansätzen für fortschrittliche Materialtechnologien der nächsten Generation, insbesondere integrierte Elektronik für maßgeschneiderte medizinische Anwendungen, hervorzuheben.

https://doi.org/10.1002/admt.202201274