Innovative Lösungen für gedruckte Elektronik und biokompatible Elektroden in der medizinischen Diagnostik und Sensorik

Unsere Forschung im Bereich der gedruckten Elektronik und biokompatiblen Elektroden eröffnet faszinierende Möglichkeiten in der medizinischen Diagnostik und Sensorik. Durch den Einsatz innovativer Drucktechnologien können wir maßgeschneiderte Elektroden unter anderem für Biosensoren sowie für die Charakterisierung von Zellmodellen in der Mikrofluidik herstellen. Der Direktdruckansatz bietet entscheidende Vorteile:

• Kosten- und Zeitersparnis: Die eingesetzten Druckverfahren wie Inkjet, Aerosol-Jet und Siebdruck vermeiden aufwändige Dünnschichtprozesse (u.a. Masken, Ätzschritte etc.) und sind materialsparend.
• Flexibilität und schnelles Prototyping: Durch den Einsatz von Druckverfahren können Prototypen und Testversionen von gedruckten Elektroden schnell hergestellt und iterativ verbessert werden.
• Anpassbarkeit durch Digitaldruck: Insbesondere der Tintenstrahldruck ermöglicht eine einfache Anpassung der Elektrodengeometrien und -größen mittels Software, um den Anforderungen unterschiedlicher Biosensoren gerecht zu werden.
• Skalierbarkeit: Der technologische Ansatz bietet eine hohe Skalierbarkeit, d. h. große Mengen an Elektroden können kostengünstig und in kurzer Zeit hergestellt werden (Rolle-zu-Rolle-Produktion).

Das Fraunhofer IKTS hat spezielle Tinten und Pasten entwickelt, die auch auf flexible Substrate wie Kunststoff oder Papier gedruckt werden können, was die Integration in tragbare oder flexible Biosensorplattformen ermöglicht. Unsere Lösungen für druckbare Materialien decken ein breites Spektrum ab:

• Gold, Platin, Palladium für Elektroden und sensitive Schichten. Unsere Gold- und Platintinten wurden in Form von gedruckten Elektroden mehrfach erfolgreich auf Biokompatibilität nach DIN EN ISO 10993-5 / -12 (Biologische Beurteilung von Medizinprodukten - Teil 5: Prüfungen auf In-vitro-Zytotoxizität und Teil 12: Probenvorbereitung und Referenzmaterialien) geprüft.
• Kohlenstoff und Silizium als kostengünstige und alternative Elektrodenmaterialien.
• Weitere Metalle wie Silber und Kupfer für elektrische Zuleitungen und Kontakte.
• Markierungstinten zur dauerhaften Kennzeichnung und digitalen Rückverfolgbarkeit von metallischen oder keramischen Bauteilen mittels Data-Matrix-Codes, wenn andere Kennzeichnungslösungen wie Laserbeschriftung oder Gravur nicht in Frage kommen.
• Auf Kundenwunsch entwickeln wir auch spezielle Formulierungen, z. B. Komposite mit Glas.
• Alle Materialien werden in ihren Eigenschaften auf das jeweilige Druckverfahren und die Kundenanforderungen abgestimmt.

Für unsere Forschung und Entwicklung setzen wir moderne und hochwertige Methoden und Verfahren ein. Dies sind insbesondere:

• Hochpräzise Analytik zur Bestimmung entscheidender Materialeigenschaften wie Rheologie und Viskosität, Oberflächenspannung und Substratbenetzung, Partikelgröße und Sedimentationsstabilität.
• Moderne Druckanlagen im Bereich Inkjet (Dimatix DMP, Pixdro LP50, Ceradrop F-Serie) mit Druckköpfen von 2,4 pL bis 80 pL, Aerosol-Jet (Optomec M3D) sowie Siebdruck (Fa. Ekra E5, X5, HX2).
• Innovative Sinterverfahren zur Funktionalisierung der gedruckten Leiterbahnen mittels kontinuierlicher Linienlaserbehandlung (HDPL) sowie Blitzlampenverfahren (FLA).

Durch diese Vorteile ermöglicht die gedruckte Elektronik für die Biosensorik eine effiziente, flexible und kostengünstige Herstellung von Elektroden, die eine präzise und zuverlässige Detektion biochemischer Signale ermöglichen. Damit leisten wir einen Beitrag zur Erforschung und Entwicklung innovativer medizinischer Diagnoseverfahren.

Seit 2010 unterstützen wir zahlreiche Forschungsgruppen und die Industrie mit unseren Tinten und Pasten. Unsere Materialien wurden bereits für die folgenden Anwendungen getestet:

• In der Mikrofluidik wurden gedruckte Goldelektroden für elektrochemische Sensoren für gelösten Sauerstoff und reaktive Sauerstoffspezies verwendet, um die Hypoxie von kultivierten Darm-Doppelschichten in einer mikrofluidischen Plattform zu überwachen. In einer anderen Anwendung wurde ein mikrophysiologisches System der Leber mit eingebetteten Sensoren entwickelt, das die Echtzeitüberwachung der Fibroseentwicklung oder die Zonierung von Leberfunktionen ermöglicht.
• Mikroheizplatten (150x150 µm2) auf Polymerfolie für tragbare Gas- und Chemiesensoren, Temperaturmesstechnik, thermische Aktoren sowie Mikrofluidik. Dabei führen gedruckte Goldelektroden zu einem sehr geringen Stromverbrauch (Aufheizen mit ca. 12 °C/mW sowie konstante Betriebstemperatur von 250 °C mit nur 22 mW).
• Herzmuskelmodelle, bei denen durch darunter gedruckte Goldelektroden eine direkte elektrische Messung von Herzmuskelzellverbänden für Medikamententests ermöglicht wird. Bisher stand nur die Lichtmikroskopie zur Auswertung der Schlageigenschaften solcher Zellmodelle zur Verfügung.
• Aptamer-Funktionalisierung von gedruckten Goldelektroden auf kostengünstigen Polymerfolien. Je nach Art des Aptamers ist die Detektion einer Vielzahl unterschiedlicher Bioanalyte wie Proteine, Peptide, Antikörper oder Nukleinsäuren möglich. Wir haben beispielsweise das Enzym α-Thrombin elektrochemisch mit einem Aptamer und einer mit Methylenblau funktionalisierten Goldelektrode nachgewiesen.
• Intelligente Katheter mit verbesserter Empfindlichkeit der miniaturisierten Spitzenelektroden durch Aufdruck dünner Schichten unserer Platintinte. Der elektrische Kontaktwiderstand bei elektrochemischen Messungen konnte im Vergleich zu Standardelektroden um Größenordnungen reduziert werden.
• Umweltsensoren zur Bestimmung von Temperatur und Feuchte durch Bedrucken von Interdigital- oder Widerstandelektroden aus Silbertinte.
• Hochempfindliche pH-Sensoren auf der Basis von polymerfunktionalisierten Goldelektroden (PANI, PSS, PPy) oder IrOx-beschichteten Platinelektroden auf flexiblen Substraten zeigten ein lineares Super-Nernst-Verhalten und höchste Empfindlichkeitswerte.
• Ozonsensor für eine Sauerstoff-Ozon-Injektionstherapie auf der Basis von gedruckten amperometrischen und impedimetrischen Sensoren mit Goldelektroden. Besonderes Augenmerk wurde auf die Bewertung der Biokompatibilität nach der internationalen Norm ISO 10993 gelegt.
• Schneller, empfindlicher und kostengünstiger Nachweis von Bakterien durch gedruckte organische elektrochemische Transistoren auf flexiblen Polymerfolien. Die hier integrierten Goldelektroden wurden erfolgreich mit Antikörpern zum Nachweis von Escherichia coli (E. coli) biochemisch funktionalisiert.
• Sensoren auf Basis der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS), wobei gedruckte Goldelektroden in polymeren oder glasbasierten Mikrofluidiken die Detektion von Medikamenten oder die Bioanalytik ermöglichen.
• Kostengünstige Gassensoren für tragbare Anwendungen mit katalytischer Platinelektrode als Sensorelement zur Detektion von Ethanol/Aceton-Gasgemischen. Dabei zeigten gedruckte Platinschichten eine fast doppelt so hohe Empfindlichkeit wie herkömmlich mit Magnetron gesputterte Elektroden. Elektrochemisch-amperometrische Gassensoren zur Detektion von Ethylengas auf der Basis von aerosolgedruckten Goldelektroden mit einzigartiger elektrochemischer Aktivität wurden ebenfalls demonstriert.
• Metalloxid-Gassensoren zur Detektion von CO und NO2 mit sehr geringer Leistungsaufnahme (250 °C Betriebstemperatur bei 78 mW) dank gedrucktem Heizer und Messelektroden aus Goldtinte.

Eine Übersicht der publizierten Arbeiten auf Basis unserer Tinten und Pasten finden Sie hier.