Micro-elektroden kunnen worden gebruikt voor directe meting van elektrische signalen in de hersenen of het hart. Deze toepassingen vereisen zachte materialen, echter. Met bestaande methoden, het bevestigen van elektroden aan dergelijke materialen brengt aanzienlijke uitdagingen met zich mee. Een team van de Technische Universiteit van München (TUM) is er nu in geslaagd om elektroden rechtstreeks op verschillende zachte substraten te printen.

Onderzoekers van TUM en Forschungszentrum Jülich hebben met succes samengewerkt om inkjetprinten uit te voeren op een gummybeer. Dit klinkt in eerste instantie misschien als wetenschappers in het spel, maar het wijst de weg naar grote veranderingen in de medische diagnostiek. Voor een ding, het was geen afbeelding of logo die het team van prof. Bernhard Wolfrum op het kauwsnoepje plaatste, maar eerder een micro-elektrode-array. Deze componenten, samengesteld uit een groot aantal elektroden, kan spanningsveranderingen detecteren als gevolg van activiteit in neuronen of spiercellen, bijvoorbeeld.

Tweede, gummyberen zijn zacht, wat belangrijk is bij het gebruik van micro-elektrode-arrays in levende cellen. Micro-elektrode-arrays bestaan ​​al heel lang. In hun oorspronkelijke vorm, ze bestonden uit harde materialen zoals silicium. Dit heeft verschillende nadelen als ze in contact komen met levende cellen. In het laboratorium, hun hardheid beïnvloedt de vorm en organisatie van de cellen, bijvoorbeeld. En in het lichaam, de harde materialen kunnen ontstekingen of het verlies van orgaanfuncties veroorzaken.

Wanneer elektrodenreeksen direct op zachte materialen worden geplaatst, deze problemen worden vermeden. Dit heeft geleid tot intensief onderzoek naar dergelijke oplossingen. Tot nu, de meeste initiatieven hebben traditionele methoden gebruikt die tijdrovend zijn en toegang tot dure gespecialiseerde laboratoria vereisen. "Als u in plaats daarvan de elektroden afdrukt, je kunt relatief snel en goedkoop een prototype maken. Hetzelfde geldt als u het moet herwerken, " zegt Bernhard Wolfrum, Hoogleraar Neuro-elektronica aan de TUM. "Dit soort snelle prototyping stelt ons in staat om op geheel nieuwe manieren te werken."

Wolfrum en zijn team werken met een hightech versie van een inkjetprinter. De elektroden zelf zijn bedrukt met inkt op basis van koolstof. Om te voorkomen dat de sensoren zwerfsignalen opvangen, op de koolstofpaden wordt vervolgens een neutrale beschermlaag aangebracht.

De onderzoekers testten het proces op verschillende substraten, waaronder polydimethylsiloxaan (PDMS), een zachte vorm van silicium; agarose, een stof die vaak wordt gebruikt in biologie-experimenten; en tenslotte, verschillende vormen van gelatine, inclusief een gummybeer die eerst werd gesmolten en daarna uithardde. Elk van deze materialen heeft eigenschappen die geschikt zijn voor bepaalde toepassingen. Bijvoorbeeld, met gelatine gecoate implantaten kunnen ongewenste reacties in levend weefsel verminderen.

Door experimenten met celculturen, het team kon bevestigen dat de sensoren betrouwbare metingen leveren. Met een gemiddelde breedte van 30 micrometer, ze maken ook metingen op een enkele cel of slechts enkele cellen mogelijk. Dit is moeilijk te bereiken met gevestigde drukmethoden.

"De moeilijkheid zit hem in het finetunen van alle componenten - zowel de technische set-up van de printer als de samenstelling van de inkt, " zegt Nouran Adly, de eerste auteur van de studie. "In het geval van PDMS, bijvoorbeeld, we moesten een voorbehandeling gebruiken die we hadden ontwikkeld om de inkt aan het oppervlak te laten hechten."

Gedrukte micro-elektrode-arrays op zachte materialen kunnen in veel verschillende gebieden worden gebruikt. Ze zijn niet alleen geschikt voor rapid prototyping in onderzoek, maar kan ook de manier waarop patiënten worden behandeld veranderen. "In de toekomst, soortgelijke zachte structuren kunnen worden gebruikt om zenuw- of hartfuncties in het lichaam te controleren, bijvoorbeeld, of zelfs dienen als een pacemaker, ", zegt prof. Wolfrum. Momenteel werkt hij met zijn team aan het printen van complexere driedimensionale micro-elektrode-arrays. Ze bestuderen ook printbare sensoren die selectief reageren op chemische stoffen, en niet alleen voor spanningsschommelingen.