Minimalinvasive Chirurgie Forscherteam entwickelt mikroelektronischen Katheter

Für die minimalinvasive Chirurgie hat ein Forscherteam einen biokompatiblen, mikroelektronischen Katheter entwickelt. In die Wand des Katheters sind Sensoren und Aktoren integriert. Auch das Tracking des Katheters ist möglich.

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Mikroelektronischer Katheter: Prof. Dr. Oliver G. Schmidt ist Pionier bei der Erforschung und Entwicklung extrem kleiner, formbarer und flexibel einsetzbarer Mikrorobotik. Im Bild hält er eine ultra-flexible, mikroelektronische Folie.
Mikroelektronischer Katheter: Prof. Dr. Oliver G. Schmidt ist Pionier bei der Erforschung und Entwicklung extrem kleiner, formbarer und flexibel einsetzbarer Mikrorobotik. Im Bild hält er eine ultra-flexible, mikroelektronische Folie.
(Bild: TU Chemnitz)

Mit einem Katheter lassen sich Blase oder Magen untersuchen und sie werden in der minimalinvasiven Chirurgie verwendet. Es sind diffizile Eingriffe möglich, wie Blutgerinnsel entfernen, Implantate einsetzen oder gezielt Medikamente verabreichen. Das Ganze soll besonders schonend für die Patienten sein. Grundsätzlich kann man sagen: Je minimalinvasiver der Katheter-Einsatz, desto geringer das Risiko medizinischer Komplikationen und desto kürzer die Erholungs- und Genesungszeit.

Jetzt hat ein Forscherteam der TU Chemnitz, des IFW Dresden und des Max-Planck-Instituts CBG hat einen biokompatiblenm, mikroelektronischen Mikro-Katheter entwickelt. Das Besondere des Katheters ist, dass dieser mit Sensor- und Aktuator-Funktionen ausgestattet ist. Bisher wurde die Elektronik für einen Katheter sowohl Sensorik als auch Aktorik per Hand integriert. Außerdem ließen sich Katheter bisher nur begrenzt in einem Körper steuern und platzieren. Der Grund ist, dass der Chirurg in einer komplexen Umgebung von außen den Katheter manövriert oder mit Roboterunterstützung gesetzt werden.

Elektronischer Mikrokatheter

Damit waren einer möglichen Miniaturisierung Grenzen gesetzt 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.

Durchmesser von 0,1 mm

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 0,1 mm und sind zudem sehr flexibel, widerstandsfähig und sind biokompatibel. „Die Mikrokatheter basieren auf der Mikrochip-Technik und es 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.

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, hochkomplexe 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.

Weitere Sensorfunktionen integrieren

Die beschriebene Technik erforschen Prof. Schmidt und sein Team seit einiger Zeit. Dabei haben sich extrem dünne, formbare Polymerfilme als nützlich für die Mikroröhrchen-Architekturen erwiesen, die sich geometrisch an andere Objekten anpassen können. Beispielsweise als Manschetten-Implantate für bio-neurale 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 sollen sich weitere Sensorfunktionen integrieren lassen und mehr Anwendungen ermöglichen. Denkbar sind Sensoren für die Blutgasanalyse, der Nachweis von Biomolekülen und physiologische Parameter erfassen, wie pH-Wert, Temperatur und Blutdruck.

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