22/06/2018
Door Ad Spijkers
Met micro-elektroden kunnen elektrische signalen direct op de hersenen of het hart worden gemeten. Voor zulke toepassingen zijn zachte materialen nodig, maar de elektroden konden hier slechts met grote inspanning op worden aangebracht. Tot nu toe.
Het is een team van de Technische Universität München (TUM) en het Forschungszentrum Jülich gelukt om een gummibeertje te bedrukken. De wetenschappers hebben echter geen beeld of tekst gedrukt, maar een array van micro-elektrodes. Deze componenten kunnen veranderingen in de elektrische spanning in cellen meten, bijvoorbeeld bij de activiteit van zenuw- of spiercellen.
In hun oorspronkelijke vorm bestaan arrays uit harde materialen zoals silicium. In contact met levende cellen heeft dat verschillend nadelen. In het laboratorium veranderen vorm en aansluiting de cellen. In lichamen kunnen ze ontstekingen veroorzaken en de functie van organen beïnvloeden.
Rapid prototyping met inkjetprinter
Met arrays van elektroden op zachte materialen kunnen deze problemen worden voorkomen. Lange tijd werd bij onderzoek hieraan uitgegaan van traditionele methoden, die relatief tijdrovend zijn en kostbare speciale labratoria vergen. Als men in plaats daarvan de elektroden drukt, kan men naar verhouding snel en goedkoop een prototype maken en bewerken. Een dergelijke vorm van rapid protoyping maakt nieuwe methoden mogelijk.
De onderzoekers maken gebruik van een high-tech variant van een inkjetprinter. De elektroden zelf worden met een koolstof bevattende vloeistof gedrukt. Om de sensoren geen ongewenste signalen t laten opwekken, worden een neutrale beschermlaag over de koolstofbanen aangebracht.
Verschillende materialen
De onderzoekers probeerden de methoden op verschillende materialen uit, onder meer op het zachte siliconenpolymeer PDMS (Polydimethylsiloxaan), het vaak in biologische experimenten gebruikte materiaal Agar en tot slot gelatine, onder meer in de vorm van een gesmolten en weer gestold gummibeertje. Elk van deze stoffen heeft eigenschappen die bijzonder geschikt zijn voor bepaalde toepassingen. Zo kunnen met gelatine gecoate implantaten bijvoorbeeld ongewenste reacties in weefstels verminderen.
Het team kon aan de hand van experimenten met celculturen bewijzen, dat de sensoren betrouwbare waarden konden geven. Met een gemiddelde breedte van 30 µm maken ze bovendien mogelijk metingen in afzonderlijke of enkele cellen mogelijk, wat met bekende drukmethoden moeilijk te realiseren is.
De moeilijkheid bestaat in de afstemming van alle componenten, zowel de technische instellingen van de printer als de samenstelling van de 'inkt'. In het geval van PDMS moesten de onderzoekers bijvoorbeeld een zelf ontwikkelde voorbehandeling toepassen om de inkt op het oppervlak te laten hechten.
Toepassingsmogelijkheden
Gedrukte zachte arrays van micro-elektroden zouden op verschillende terreinen kunnen worden toegepast. Ze zijn niet alleen geschikt voor een rapid prototyping-achtige benadering in onderzoek, maar zouden ook de behandeling van patiënten kunnen veranderen. In de toekomst zouden zachte structuren bijvoorbeeld zenuw- of hartfuncties in lichamen kunnen bewaken of zelfs als pacemaker kunnen fungeren. Het team werkt ook aan gedrukte complexe 3D-arrays van micro-elektroden. Maar ze onderzoeken ook printbare sensoren die niet reageren op spanningsvariaties, maar selectief op chemische stoffen.
(foto:N. Adly / TU München)