Een draadloze sensor die klein genoeg is om in de bloedvaten van het menselijk brein te worden geïmplanteerd, kan clinici helpen de genezing van aneurysma's te beoordelen - uitstulpingen die de dood of ernstig letsel kunnen veroorzaken als ze barsten. De rekbare sensor, die werkt zonder batterijen, zou worden gewikkeld rond stents of omleiders die zijn geïmplanteerd om de bloedstroom in bloedvaten die door de aneurysma's zijn aangetast, te regelen.

Om de kosten te verlagen en de productie te versnellen, fabricage van de rekbare sensoren maakt gebruik van aerosol jet 3D-printen om geleidende zilversporen te creëren op elastomere substraten. De 3D-techniek voor additieve fabricage maakt de productie van zeer kleine elektronische functies in een enkele stap mogelijk, zonder gebruik te maken van traditionele meerstaps lithografieprocessen in een cleanroom. Het apparaat wordt beschouwd als de eerste demonstratie van 3D-afdrukken met aerosolstralen om een ​​implanteerbaar, rekbaar detectiesysteem voor draadloze monitoring.

"Het mooie van onze sensor is dat hij naadloos kan worden geïntegreerd in bestaande medische stents of stroomonderbrekers die clinici al gebruiken om aneurysma's te behandelen, " zei Woon-Hong Yeo, een assistent-professor aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering van Georgia Tech en de Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering aan de Georgia Tech en Emory University. "We zouden het kunnen gebruiken om een ​​inkomende bloedstroom naar de aneurysmazak te meten om te bepalen hoe goed het aneurysma geneest, en om artsen te waarschuwen als de bloedstroom verandert."

Ingebracht met behulp van een kathetersysteem, de sensor zou inductieve koppeling van signalen gebruiken om draadloze detectie van biomimetische hemodynamica van hersenaneurysma's mogelijk te maken. Het onderzoek werd op 7 augustus gerapporteerd in het tijdschrift Geavanceerde wetenschap .

Het volgen van de voortgang van cerebrale aneurysma's vereist nu herhaalde angiogrambeeldvorming met contrastmaterialen die schadelijke bijwerkingen kunnen hebben. Vanwege de kosten en mogelijke negatieve effecten, gebruik van de beeldvormende techniek moet worden beperkt. Echter, een sensor die in een bloedvat wordt geplaatst, kan frequentere evaluaties mogelijk maken zonder het gebruik van beeldvormende kleurstoffen.

"Voor patiënten die een procedure hebben ondergaan, we zouden kunnen zien of het aneurysma afsluit zoals het zou moeten zonder gebruik te maken van beeldvormende hulpmiddelen, "Zei Yeo. "We zullen de bloedstroom nauwkeurig kunnen meten om veranderingen zo klein als 0,05 meter per seconde te detecteren."

De zeslaagse sensor is gemaakt van biocompatibel polyimide, twee afzonderlijke lagen van een maaspatroon geproduceerd uit zilveren nanodeeltjes, een diëlektrisch en zacht polymeer omhullend materiaal. De sensor zou rond de stent of de stroomomleider worden gewikkeld, die minder dan twee of drie millimeter in diameter moet zijn om in de bloedvaten te passen.

De sensor bevat een spoel om elektromagnetische energie op te vangen die wordt uitgezonden door een andere spoel die zich buiten het lichaam bevindt. Bloed dat door de geïmplanteerde sensor stroomt, verandert zijn capaciteit, die de signalen verandert die door de sensor gaan op weg naar een derde spoel die zich buiten het lichaam bevindt. In het laboratorium, Yeo en zijn medewerkers hebben capaciteitsveranderingen gemeten op zes centimeter afstand van een sensor die in vlees is geïmplanteerd om hersenweefsel te simuleren.

"De stroomsnelheid is heel goed gecorreleerd met de capaciteitsverandering die we kunnen meten, "Zei Yeo. "We hebben de sensor erg dun en vervormbaar gemaakt, zodat hij kan reageren op kleine veranderingen in de bloedstroom."

Het gebruik van de aerosol jet 3D-printtechniek was essentieel voor het produceren van de rekbare en flexibele elektronica die nodig is voor de sensor. De techniek maakt gebruik van een spray van aerosoldeeltjes om patronen te creëren, waardoor kleinere functieformaten mogelijk zijn dan bij conventioneel inkjetprinten.

"We kunnen de afdruksnelheid regelen, de afdrukbreedte, en de hoeveelheid materiaal die wordt gespoten, " zei Yeo. "De parameters kunnen voor elk materiaal worden geoptimaliseerd, en we kunnen materialen gebruiken met een breed scala aan viscositeiten."

Omdat de sensor in één stap kan worden gefabriceerd zonder dure cleanroomfaciliteiten, het zou tegen lagere kosten in een groter volume kunnen worden vervaardigd.

De volgende fase van de aneurysmasensor zal de bloeddruk in het vat kunnen meten, samen met de stroomsnelheden. "We zullen kunnen meten hoe druk bijdraagt ​​​​aan stroomverandering, " legde Yeo uit. "Dan zou het apparaat voor andere toepassingen kunnen worden gebruikt, zoals intracraniële drukmetingen."

Het onderzoeksteam van Yeo heeft ook een flexibele en draagbare gezondheidsmonitor ontwikkeld die ECG- en andere informatie kan verstrekken. He says the success of the monitoring technique demonstrates the potential for smart and connected wireless soft electronics based on nanomaterials, stretchable mechanics, and machine learning algorithms.

"We are excited that people are now recognizing the potential of this technology, " Yeo added. "There are a lot of opportunities to integrate this sensing mechanism into ultrathin membranes that are implantable within the body."