Mikroelektroder kan användas för direktmätning av elektriska signaler i hjärnan eller hjärtat. Dessa applikationer kräver mjuka material, dock. Med befintliga metoder, att fästa elektroder på sådana material innebär betydande utmaningar. Ett team vid tekniska universitetet i München (TUM) har nu lyckats skriva ut elektroder direkt på flera mjuka underlag.

Forskare från TUM och Forschungszentrum Jülich har framgångsrikt samarbetat för att utföra bläckstråleskrivare på en gummibjörn. Detta kan till en början låta som forskare på spel - men det pekar vägen mot stora förändringar inom medicinsk diagnostik. För en sak, det var inte en bild eller logotyp som professor Bernhard Wolfrums team deponerade på det sega godiset, utan snarare en mikroelektrodgrupp. Dessa komponenter, består av ett stort antal elektroder, kan detektera spänningsförändringar till följd av aktivitet i neuroner eller muskelceller, till exempel.

Andra, gummibjörnar är mjuka, vilket är viktigt när man använder mikroelektrodgrupper i levande celler. Mikroelektrodgrupper har funnits länge. I sin ursprungliga form, de bestod av hårda material som kisel. Detta resulterar i flera nackdelar när de kommer i kontakt med levande celler. I laboratoriet, deras hårdhet påverkar cellernas form och organisation, till exempel. Och inuti kroppen, de hårda materialen kan utlösa inflammation eller förlust av organfunktioner.

När elektrodarrayer placeras direkt på mjuka material, dessa problem undviks. Detta har väckt intensiv forskning om sådana lösningar. Tills nu, de flesta initiativen har använt traditionella metoder som är tidskrävande och kräver tillgång till dyra specialiserade laboratorier. "Om du istället skriver ut elektroderna, du kan producera en prototyp relativt snabbt och billigt. Detsamma gäller om du behöver omarbeta det, "säger Bernhard Wolfrum, Professor i neuroelektronik vid TUM. "Snabb prototypning av detta slag gör att vi kan arbeta på helt nya sätt."

Wolfrum och hans team arbetar med en högteknologisk version av en bläckstråleskrivare. Elektroderna själva är tryckta med kolbaserat bläck. För att förhindra att sensorerna tar upp avvikande signaler, ett neutralt skyddande skikt tillsätts sedan till kolvägarna.

Forskarna testade processen på olika substrat, inklusive polydimetylsiloxan (PDMS), en mjuk form av kisel; agaros, ett ämne som vanligtvis används i biologiska experiment; och slutligen, olika former av gelatin, inklusive en gummibjörn som först smältes och sedan fick stelna. Var och en av dessa material har egenskaper som är lämpliga för vissa applikationer. Till exempel, gelatinbelagda implantat kan minska oönskade reaktioner i levande vävnad.

Genom experiment med cellkulturer, teamet kunde bekräfta att sensorerna ger tillförlitliga mätningar. Med en genomsnittlig bredd på 30 mikrometer, de tillåter också mätningar på en enda cell eller bara några celler. Detta är svårt att uppnå med etablerade tryckmetoder.

"Svårigheten är att finjustera alla komponenter-både den tekniska installationen av skrivaren och bläckets sammansättning, säger Nouran Adly, studiens första författare. "När det gäller PDMS, till exempel, vi var tvungna att använda en förbehandling vi utvecklade bara för att få bläcket att fastna på ytan. "

Tryckta mikroelektrodarrayer på mjuka material kan användas inom många olika områden. De lämpar sig inte bara för snabba prototyper inom forskning, men kan också förändra hur patienter behandlas. "I framtiden, liknande mjuka strukturer kan användas för att övervaka nerv- eller hjärtfunktioner i kroppen, till exempel, eller till och med fungera som en pacemaker, "säger professor Wolfrum. För närvarande arbetar han med sitt team för att skriva ut mer komplexa tredimensionella mikroelektroder. De studerar också utskrivbara sensorer som reagerar selektivt på kemiska ämnen, och inte bara spänningsfluktuationer.