Forscher drucken Sensoren direkt auf Organe

Forscher drucken biomedizinische Sensoren mit einem intelligenten 3D-Drucker direkt auf lebende Organe. Dabei erfasst der Drucker die Bewegung und Verformung der Zieloberfläche, um den Druckprozess in Echtzeit anzupassen.

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Die 3D-Drucktechnologien haben sich in den letzten Jahrzehnten rasant entwickelt. Mittlerweile kann eine vielfältige Palette von Materialien dreidimensional verarbeitet werden: von Hartkunststoffen, über (halb)leitende Materialien bis hin zu Biomaterialien.

Gerade die Herstellung von biomedizinischen Geräten und Sensoren, die direkt auf die Haut und im Körperinneren aufgebracht werden können, gewinnen an Bedeutung, denn diese können eine verbesserte Wundbehandlung sowie Patientenüberwachung und Steigerung der Organfunktion ermöglichen. Beispielsweise sollen räumliche und zeitliche Messungen der Lungendeformation unter mechanischer Beatmung wertvolle Informationen für Studien der Atmungsmechanik, Diagnosen chronischer Lungenerkrankungen und Therapien für Lungenkrebs liefern.

In neuen Forschungsarbeiten haben Maschinenbauingenieure und Informatiker der Universität von Minnesota eine 3D-Drucktechnik entwickelt, die eine so genannte Motion-Capture-Technologie verwendet, ähnlich wie sie in Hollywood-Filmen verwendet wird. Diese hilft dabei, elektronische Sensoren direkt auf sich ausdehnende und zusammenziehende Organe zu drucken. Die neue 3D-Drucktechnik könnte in Zukunft bei der Diagnose und Überwachung der Lungen von Patienten mit COVID-19 angewendet werden. Die Forschungsergebnisse werden in Science Advances veröffentlicht.

Von sich bewegenden hin zu sich verformenden Oberflächen

Die Forschungsarbeit basiert auf der neueste Generation einer 3D-Drucktechnik, die vor zwei Jahren von Mitgliedern des Teams entwickelt wurde, und das Drucken von Elektronik direkt auf eine sich bewegende Hand ermöglichte. Die neue Version ermöglicht den 3D-Druck auf Organen wie Lunge oder Herz, die durch Ausdehnung und Kontraktion ihre Form verändern oder sich verzerren.

„Wir verschieben die Grenzen des 3D-Drucks auf eine neue Art und Weise, die wir uns vor Jahren noch nicht einmal vorstellen konnten“, sagt Michael McAlpine, Professor für Maschinenbau an der Universität von Minnesota und leitender Forscher der Studie. „Das 3D-Drucken auf ein sich bewegendes Objekt ist schon schwierig genug, aber es war eine ziemliche Herausforderung, einen Weg zu finden, auf eine Oberfläche zu drucken, die sich beim Ausdehnen und Zusammenziehen verformte.“

Anfangs arbeiteten die Forscher mit einer Ballon-ähnlichen Oberfläche und dem speziellen 3D-Drucker. Markierungen zur Bewegungserfassung, ähnlich wie sie in Filmen zur Erzeugung von Spezialeffekten verwenden werden, helfen dem 3D-Drucker, den Druckweg an die Bewegungen der Oberfläche, bedingt durch Ausdehnung und Kontraktion, anzupassen.

Als nächstes experimentierten die Forscher an einer Tierlunge im Labor, die künstlich aufgeblasen wurde. Es gelang ihnen, einen weichen, auf einem Hydrogel-basierenden Sensor direkt auf die Oberfläche zu drucken. McAlpine ist der Meinung, dass diese Technik in Zukunft möglicherweise für den 3D-Druck von Sensoren auf ein pumpendes Herz verwendet werden könnte.

„Die Grundidee hinter dieser Forschung ist, die 3D-Drucktechnologie mit Operationsrobotern zu kombinieren“, sagte McAlpine. „In Zukunft wird es beim 3D-Druck nicht mehr nur ums Drucken gehen, sondern er wird Teil eines größeren autonomen Robotersystems sein. Dies könnte für Krankheiten wie COVID-19 wichtig sein, bei denen Gesundheitsversorger bei der Behandlung von Patienten gefährdet sind.“

Dies könnte moderne medizinische Behandlungen auf unzählige Arten unterstützen, wie das Drucken von Elektrodenarrays für neuronale Schnittstellen und das Drucken von biologischen Gerüsten (Scaffolds) mit manipulierten Zellen zur Geweberegenerierung. In klinischen Anwendungen beispielsweise, bei denen Injektion von biologischen Materialien, wie chirurgischer Kleber und Hauttransplantaten erforderlich sind, könnte das autonome 3D-Drucken die manuelle Bedienung ersetzen, um eine präzise räumliche Kontrolle über lange Zeiträume zu erreichen.

Die Forschung wurde von Medtronic und dem National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering der National Institutes of Health unter der Preisnummer DP2EB020537 unterstützt. Zusätzliche Unterstützung wurde durch ein Promotionsstipendium der University of Minnesota für Zhijie Zhu gewährt.

Originalveröffentlichung (PDF):
Z. Zhu et. al: 3D printed deformable sensors; Sci. Adv.2020; 6 : eaba5575 17 June 2020

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