Consumables Essbare Transistoren aus Zahnpasta

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Einem italienischen Forschungsteam ist es gelungen, aus Pigmenten eines in Zahnpasta verwendeten Weißmachers funktionierende Transistoren herzustellen. Solche essbare Elektronik, die sich nach Einsatz im Körper unbedenklich auflöst, eröffne neue Möglichkeiten in der Medizintechnik.

Je besser und direkter von einem Patienten Gesundheitsdaten gemessen und beobachtet werden können, umso genauer könnten Ärzte den Zustand des Patienten überwachen und gegebenenfalls gezielter Maßnahmen ergreifen. Aber wie bekommt man Sensoren oder andere Medizintechnik ins Körperinnere eines Patienten, ohne dass es chirurgische Eingriffe oder genaue ärztliche Aufsicht braucht? Und wie bekommt man solche Elektronik wieder problemlos aus dem Körper des Patienten wieder heraus.

Die Antwort könnte in Zahnpasta liegen: Ein Forschungsteam des Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) hat essbare Transistoren entwickelt, die aus einem Material bestehen, das häufig in Form kleiner blauer Pigmente in Zahnpasta anzutreffen ist: Kupferphthalocyanin. Der geruchslose Feststoff lagert sich auf den Zähnen ab und wirkt wie ein optischer Filter, der die Zähne weißer erscheinen lässt. Im Laufe des Tages wird das Kupferphthalocyanin nach und nach durch den Speichel entfernt, mit der Nahrung aufgenommen und schließlich rückstandslos abgebaut. Nach Angaben der Forschenden des IIT nehmen wir bei jedem Zähneputzen etwa ein Milligramm des Feststoffs in unseren Körper auf. Kupferphthalocyanin kann allerdings auch als eine Art organischer Halbleiter dienen, da seine kristalline Struktur über gute elektrische Leitfähigkeit verfügt.

Ein gedruckter Nano-Transistor, der sich nach einem Jahr auflöst

Dem Forschungsteam des IIT ist es gelungen, auf Basis dieses in Zahnpasta vertretenen Weißmachers einen vollständig essbaren, elektrolytgesteuerten Transistoren zu entwickeln. Dieser leicht reproduzierbare, integrierte Schaltkreis kann bei einer niedrigen Spannung von weniger als einem Volt arbeiten und für mehr als ein Jahr eine stabile Leistung aufweisen. Anschließend wird das essbare Elektronikbauteil vom Körper rückstandslos abgebaut.

Für diese Nanoelektronik wird wenig Material benötigt: „Mit der Menge an Kupferphthalocyanin, die wir täglich zu uns nehmen, könnten wir theoretisch etwa 10.000 essbare Transistoren herstellen“, sagt Elena Feltri, Hauptautorin der begleitenden Studie und Doktorandin am Zentrum für Nanowissenschaften und -technologie des IIT in Mailand. Ein Chip, der sich aus 10.000 Transistoren zusammensetzt, wäre auf dem Leistungsniveau eines alten 8-Bit- oder eines sehr frühen 16-Bit-Prozessors, vergleichbar beispielsweise mit einer Zilog Z80 CPU oder einem TMS9900.

Als Trägersubstanz dient ein Ethylcellulose-Substrat, dass häufig in der Pharma- und Lebensmittelindustrie verwendet wird. Die elektrischen Verbindungen auf den Schaltkreisen wird mit Hilfe von Tintenstrahltechnik gedruckt. In diesem Fall enthält die Tinte eine Lösung von Goldpartikeln, dass für die elektrische Kontaktierung dient und als Edelmetall für den Körper in geringsten Mengen unbedenklich ist.

Auf diese Weise kann für jeden Transistor ein logisches Gatter gedruckt werden, dass den Stromfluss reguliert. Dieses Gatter besteht aus Chitosan. Dieses natürliche Polymer wird aus den Schalen von Krustentieren gewonnen und kommt in der Lebensmittelindustrie oft auch als Geliermittel zum Einsatz. Durch Anlegen einer niedrigen Spannung (weniger als 1 V) an das Gate kann der Stromfluss durch den Transistor gesteuert werden und diesen somit ein- oder ausschalten. Als Beschichtungsmaterial sowie als eine dielektrische Verbindungsschicht dient Poly(chloro-p-xylene)-C, auch Parylene C genannt, dass eine gute Barrierewirkung gegenüber Magensäure besitzt. Auf diese Weise kann der Transistor auch im Körperinneren bis zu ein Jahr problemlos arbeiten, ehe er sich auflöst.

Für die benötigte Stromversorgung arbeitet das IIT auch bereits an einer geeigneten essbaren Lösung. Die Entwicklung des Transistors entstand im selben Labor für gedruckte und molekulare Elektronik , in dem 2023 eine essbare Batterie produziert wurde. Die Forschenden gehen davon aus, dass diese Technologie sich als künftige Schlüsselkomponente Zukunft bei der Entwicklung von "Smart Pill" erweist. Eine solche elektrische Tablette oder Pille könnte beispielsweise den Gesundheitszustand im Inneren des Patienten überwachen oder zur Qualitätskontrolle in der Futter- und Lebensmittelindustrie dienen, ehe sie sich nach Erfüllung ihres Zwecks rückstandslos abbaut.

Das Forschungsteam hat seine Studie zu den auf diesem Weg entwickelten Transistoren im Fachblatt „Advanced Science“ veröffentlicht. Die Studie selbst wurde unter einer Creative-Commons-BY-4.0 Lizenz veröffentlicht und ist im Open Access frei zugänglich. (sg)

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