Kleinsten mikroelektronischen Katheter für die minimalinvasive Chirurgie der Zukunft entwickelt

Weltneuheit – smart und dünn wie ein Haar: Forschungsteam der TU Chemnitz, des IFW Dresden und des Max-Planck-Instituts CBG stellt mit winzigem biokompatiblen, mikroelektronischen und mit Sensor- und Aktuator-Funktionen ausgestatteten Mikro-Katheter einen ganz neuen Typ biomedizinischer Werkzeuge vor

Katheter haben eine überragende Bedeutung für die minimalinvasive Chirurgie. Denn sie ermöglichen Eingriffe wie die Entfernung von Blutgerinnseln, das Einsetzen von Implantaten oder die gezielte Verabreichung von Medikamenten und sollen dabei besonders schonend für die Patientinnen und Patienten sein. Grundsätzlich kann man sagen: Je minimalinvasiver der Katheter-Einsatz, desto geringer das Risiko medizinischer Komplikationen und desto kürzer die Erholungs- und Genesungszeit.

An diesem Punkt gibt es allerdings aktuell Grenzen. Denn in bis jetzt entwickelten elektronischen Kathetern wurde die Sensorik und Aktorik noch per Hand integriert. Zudem sind der Steuerung und Platzierung von Kathetern im Körper Grenzen gesetzt, denn sie müssen von der Chirurgin beziehungsweise dem Chirurgen in einer komplexen Umgebung von außen manövriert oder mittels Roboterunterstützung gesetzt werden. Das hat bedeutende Nachteile für die Miniaturisierung und die Nutzung flexibler und an den Körper anpassungsfähiger Strukturen für einen besonders schonenden Einsatz in der Chirurgie. Ebenfalls lassen sich mit diesen Verfahren kaum weitere Sensoren und Funktionen in Mikro-Katheter integrieren, was deren Einsatzmöglichkeiten beschränkt.

Unter der Leitung von Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Inhaber der Professur für Materialsysteme der Nanoelektronik, designierter wissenschaftlicher Direktor des Zentrums für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) an der TU Chemnitz und ehemaliger Direktor am Leibniz Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW Dresden) haben Wissenschaftler am IFW Dresden in Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (CBG) nun den weltweit kleinsten flexiblen, mikroelektronischen Mikrokatheter präsentiert.

Das Forschungsteam berichtet über die Weltneuheit eines integrierten mikroelektronischen Katheters (IMK) in einer Publikation mit dem Titel „Electronically integrated microcatheters based on self-assembling polymer films” in der aktuellen Ausgabe des renommierten Journals „Science Advances“.

Smarte Funktionen – dünn wie ein Haar: Neuer Typ biomedizinischer Werkzeuge

In diesem smarten mikroelektronischen Werkzeug für die minimalinvasive Chirurgie sind bereits von vornherein die elektronischen Komponenten für Sensorik und Aktorik in der Katheter-Wand integriert. „Durch die spezielle Herstellungsweise haben die eingebetteten elektronischen Komponenten keine Auswirkung auf die Größe unserer Katheter, die somit so dünn wie ein einziges Haar sein können“, sagt Boris Rivkin, Erstautor der Studie, der an der TU Chemnitz promoviert und seine Doktorarbeit am Leibniz IFW Dresden anfertigt. Die Instrumente haben einen winzigen Durchmesser von nur 0.1 mm und zeichnen sich zudem durch ihre Flexibilität, Widerstandsfähigkeit und eine hohe Biokompatibilität aus. „Durch die Herstellung des Mikrokatheters auf Basis von Mikrochip-Technologien entsteht ein völlig neuer Typ biomedizinischer, multifunktionaler Werkzeuge“, fügt Prof. Schmidt hinzu. Solche smarten Werkzeuge könnten beispielsweise bei minimalinvasiven Behandlungen von Aneurysmen, Gefäßmissbildungen, oder bei Eingriffen an der Pankreas zum Einsatz kommen.

Flexibel und für diverse Einsatzzwecke ausgerüstet: Neue Anwendungen für die minimalinvasive Chirurgie

In dem IMK integrierten Prof. Schmidt und sein Team Magnetsensoren zur Navigation und Positionsbestimmung. Dieses Tracking setzt, wie ein Kompass, auf schwache Magnetfelder statt auf schädliche Strahlung oder Kontrastmittel, und wäre somit auch in tiefem Gewebe und unter dichten Materialien wie Schädelknochen anwendbar.

Außerdem verfügt der IMK über einen Kanal für Flüssigkeiten, die dadurch gezielt im Körper abgegeben werden können. Durch dieses mikrofluidische System könnten zum Beispiel Medikamente oder Flüssigembolisate direkt am Einsatzort verabreicht werden.

Die Katheter-Spitze ist mit einem winzigen Greifinstrument ausgestattet, mit dem der IMK mikroskopische Objekte fassen und bewegen kann. Als mögliche Anwendungen wird das Entnehmen kleinster Gewebeproben oder Blutgerinnsel vorgeschlagen. Dieser hochflexible Einsatz integrierter Mikroelektronik wird möglich durch eingebettete elektronische Komponenten auf Basis der Swiss-Roll-Origami-Technik. Diese Technik erlaubt es, hockkomplexe mikroelektronische Schaltungen auf einem Chip herzustellen, die sich anschließend von selbst zu einer Mikro-Röhrchenstruktur aufrollen. Die mehrfachen Windungen einer solchen Swiss-Roll-Architektur vergrößern die nutzbare Oberfläche erheblich und erlauben es, die Sensorik, Aktorik und Mikroelektronik in der Wand des Röhrchens monolithisch zu integrieren.  

Diese Technologie erforschen Prof. Schmidt und sein Team seit geraumer Zeit. Dabei haben sich extrem dünne, formbare Polymerfilme als nützlich für die Mikroröhrchen-Architekturen erwiesen, die sich auch geometrisch an andere Objekten anpassen können, zum Beispiel als Manschetten-Implantate für bioneurale Schnittstellen. Ein weiteres Anwendungsszenario sind katalytische Mikromotoren und Plattformen für elektronische Komponenten, um einen Antrieb für mikroelektronische Schwimmroboter zu generieren.

Mit dem IMK wird die Lücke zwischen elektronisch verbesserten Instrumenten und den Größenanforderungen von vaskulären Interventionen in Submillimeter-Anatomien überbrückt. Künftig können weitere Sensorfunktionen integriert werden und damit die potenziellen Anwendungen erweitern. Denkbar sind zum Beispiel Sensoren für die Blutgasanalyse, den Nachweis von Biomolekülen und die Erfassung physiologischer Parameter wie pH-Wert, Temperatur und Blutdruck. Es entstehen ganz neue und flexible Anwendungen für die minimalinvasive Chirurgie.  

Zur Person: Teamleiter Prof. Dr. Oliver G. Schmidt

Oliver G. Schmidt wurde 2007 als Professor für Materialsysteme der Nanoelektronik an die TU Chemnitz berufen und war gleichzeitig von 2007-2021 Direktor des Instituts für Integrative Nanowissenschaften am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden. Er ist designierter wissenschaftlicher Direktor des von ihm initiierten Zentrums für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) an der TU Chemnitz. Schmidt ist ein Pionier auf dem Gebiet der Mikrorobotik und Mikromotoren. Er und sein Forschungsteam bewegen sich mit ihren Arbeiten im Bereich der Nanowissenschaften zwischen den Fachgebieten Physik, Chemie, Materialwissenschaften, Elektronik und Mikrosystemtechnik. Das Anwendungspotential seiner wissenschaftlichen Erkenntnisse hat Schmidt in der Mikrorobotik, Photonik, Sensorik, Medizin und in der Energiespeicherung in zahlreichen Forschungsarbeiten aufgezeigt. 2010 baute er mit seinen damaligen Kollegen den kleinsten von Menschenhand gefertigten Düsenantrieb und 2020 den kleinsten mikroelektronischen Roboter. Für seine herausragenden Arbeiten zur Erforschung, Herstellung und innovativen Anwendung funktioneller Nanostrukturen wurde er 2018 mit dem Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis – dem wichtigsten Forschungsförderpreis in Deutschland – geehrt. Schmidt ist Mitglied der sächsischen Akademie der Wissenschaften sowie der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (acatech).

Publikation: Boris Rivkin et al. Electronically integrated microcatheters based on self-assembling polymer films. Science Advances (12/2021). DOI: 0.1126/sciadv.abl5408

Weitere Informationen erteilt Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Inhaber der Professur Materialsysteme der Nanoelektronik an der TU Chemnitz, E-Mail: oliver.schmidt@main.tu-chemnitz.de.

Matthias Fejes
21.12.2021

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