US-Forscher der University of Houston in Texas haben eine Methode entwickelt, mit der sie Biosensoren mit 3D-Druck herstellen können. Diese sollen sich eines Tages in menschliche Wirte implantieren lassen. Wir stellen die Methode zum 3D-Druck hochpräziser Glukosesensoren einmal genauer vor.

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Forscher an der University of Houston eine Methode für den 3D-Druck von Biosensoren entwickelt, die sich in menschliche Wirte implantieren lassen können. Sie nutzten dafür die Multiphotonen-Lithographie (MPL) und polymerisierten mit einem organischen Halbleitermaterial beladenes Harz, um schichtweise winzige, biokompatible Leiterplatten zu bilden. So entstanden hochpräzise Glukosesensoren, die sie davon ausgehen ließen, dass ihre Entwicklung eines Tages die Produktion einer neuen Generation bioelektronischer Geräte ermöglichen könnte.

Ihre Arbeit stellen sie in einem Artikel mit dem Titel „Multiphoton Lithography of Organic Semiconductor Devices for 3D Printing of Flexible Electronic Circuits, Biosensors, and Bioelectronics“ im Fachjournal Advanced Materials vor.

Das Team erklärt:

„Homogenes und transparentes lichtempfindliches Harz, das mit einem organischen Halbleitermaterial (OS) dotiert ist, wird eingeführt, um eine Vielzahl von 3D-OS-Verbundmikrostrukturen (OSCM) herzustellen. Die Ergebnisse zeigen das große Potenzial dieser Geräte für ein breites Anwendungsspektrum von flexibler Bioelektronik über Nanoelektronik bis hin zu Organ-on-a-Chip-Geräten.“

3D-Druck von Bioimplantaten

Für das Forscherteam ist die MPL aufgrund ihrer Materialvielseitigkeit und der hohen Genauigkeit ideal, um nanoelektrische Geräte herzustellen. Derartige Bioimplantate mit 3D-Druck herzustellen ist jedoch durch die geringe Leitfähigkeit zur Herstellung verwendeter Materialien nur begrenzt möglich. Prototypen der Bioelektronik werden häufig aus Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen hergestellt. Diese haben anorganische Eigenschaften, die schwierig homogen in Harzen ohne signifikante Phasentrennung zu dispergieren sind. Ein eigenes, von den Forschern entwickeltes MPL-Harz, aus einem mit DMSO beladenen PEGA-Polymer, einem organischen PEDOT:PSS-Halbleiter, Laminin und Glukoseoxidase, umgeht das Problem und ermöglicht den präzisen 3D-Druck von Mini-Bio- Leiterplatten mit homogenen Eigenschaften.

Aufbau des 3D-Druck-Prozesses
Die Forscher haben ein eigenes MPL-Harz für die Entwicklung ihrer Methode hergestellt (im Bild: Aufbau des 3D-Druck-Prozederes)(Bild © University of Houston).

Mit ihrem Material stellten die Forscher mikroelektronische Geräte her, wie zum Beispiel eine Leiterplatte (PCB) mit einer Reihe von Mikrokondensatoren. Sie experimentierten mit dem Glykoprotein Laminin, das in den Membranen tierischer Gewebe vorkommt und das Anhaften, Signalisieren und Wandern von Zellen erleichtert.

Weitere Details

Sie beluden ihr Harz mit Proteinen und druckten einige weitere komplexe Mikrostrukturen, bevor sie diese 48 Stunden lang in Mausgeweben kultivierten. Ihre Zellen zeigten verglichen mit den nicht dosierten Proben Hinweise auf ein „verbessertes Überleben“ und behielten die Fähigkeit bei, die Anheftung und die Proliferation zu erleichtern. Sie versuchten, die elektrochemischen Eigenschaften der Geräte zu bewerten, nachdem sie die Biokompatibilität ihrer Implantate feststellen konnten. Tests bei der biologisch relevanten Frequenz von 1 kHz zeigten, dass die elektrische Impedanz der PCBs des Teams über alle Frequenzen (1 bis 105 Hz) abnahm.

3D-gedruckte Mikrostrukturen
Sie druckten einen neuartigen Biosensor, der elektrische Ströme einsetzen konnte, um Glukosespiegel zu erfassen (im Bild: Beispiele von Mikrostrukturen)(Bild © University of Houston).

Der Durchmesser der Mikroelektroden nahm zu. Die Ergebnisse stimmten mit den zuvor berichteten somit überein. Sie stellten einen neuartigen Biosensor her, der elektrische Ströme einsetzen konnte, um Glukosespiegel mit hoher Stabilität und Präzision zu erfassen. Dieses Gerät zeigte eine zehnmal höhere Empfindlichkeit als aktuelle Monitore, was für die Forscher bedeutete, dass ihr Harz den Fortschritt bei kybernetischen Implantaten beschleunigen könnte.

Die Forscher erklären abschließend:

„Wir gehen davon aus, dass die vorgestellten MPL-kompatiblen OS-Verbundharze den Weg zur Herstellung von weichen, bioaktiven und leitfähigen Mikrostrukturen für verschiedene Anwendungen in den aufstrebenden Bereichen flexible Bioelektronik/Biosensoren, Nanoelektronik, Organ-on-Chips und Immunzelltherapien ebnen werden.“

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