Katetrar är av största vikt för minimalt invasiv kirurgi. De möjliggör ingrepp såsom avlägsnande av blodproppar, införande av implantat eller riktad administrering av läkemedel, och är avsedda att vara särskilt skonsamma för patienter. I allmänhet gäller att ju mindre invasiv kateteringreppet är, desto lägre är risken för medicinska komplikationer och desto kortare återhämtningstid.

Det finns dock gränser. Till exempel var tidigare utvecklade sensorer och ställdon fortfarande integrerade för hand i elektroniska katetrar. Dessutom är kontroll och placering av katetrar i kroppen begränsad, eftersom de små instrumenten måste manövreras externt av kirurgen i en komplex miljö eller placeras med robotassistans. Detta har betydande nackdelar för miniatyrisering och användning av flexibla strukturer som behöver anpassas till kroppen för särskilt skonsam användning vid kirurgi. Det har också varit svårt att integrera ytterligare sensorer och funktioner i mikrokatetrar, vilket hämmar deras potentiella tillämpningar.

Under överinseende av Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, chef för professuren för materialsystem för nanoelektronik, utsedd till vetenskaplig chef för Center for Materials, Architectures and Integration of Nanomembranes (MAIN) vid Chemnitz tekniska universitet och tidigare direktör vid Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW Dresden), forskare vid IFW Dresden i samarbete med Max Planck Institute for Molecular Cell Biology and Genetics (CBG) har nu presenterat världens minsta flexibla, mikroelektroniska mikrokateter.

Smarta funktioner tunna som ett hårstrå:Ny typ av biomedicinskt verktyg

I detta smarta mikroelektroniska verktyg för minimalt invasiv kirurgi är de elektroniska komponenterna för sensorer och ställdon redan från början integrerade i kateterväggen. "På grund av den speciella tillverkningsmetoden har de inbäddade elektroniska komponenterna ingen effekt på storleken på våra katetrar, som därmed kan vara tunna som ett enda hårstrå", säger Boris Rivkin, huvudförfattare till studien, som håller på att ta sin doktorsexamen vid Chemnitz tekniska universitet och hans avhandling vid Leibniz IFW Dresden. Instrumenten har en liten diameter på endast 0,1 mm och kännetecknas också av sin flexibilitet, motståndskraft och höga biokompatibilitet. "Genom att använda mikrochipsteknologier för att tillverka mikrokatetrarna kan vi generera helt nya typer av biomedicinska och multifunktionella verktyg", tillägger Prof. Schmidt. Sådana smarta verktyg skulle till exempel kunna användas vid minimalt invasiva behandlingar av aneurysm, vaskulära missbildningar eller bukspottkörtelkirurgi.

Forskargruppen rapporterar om världens minsta mikroelektroniska kateter i en publikation med titeln "Elektroniskt integrerade mikrokatetrar baserade på självmonterande polymerfilmer" i det aktuella numret av tidskriften Science Advances .

Flexibel och utrustad för olika applikationer:Nya applikationer för minimalt invasiv kirurgi

Prof. Schmidt och hans team integrerade magnetiska sensorer för navigering och positionering i mikrokatetern. Liksom en kompass bygger denna spårning på svaga magnetfält istället för skadlig strålning eller kontrastmedel, och skulle därför kunna användas i djup vävnad och under täta material som skallben.

Den mikroelektroniska mikrokatetern integrerar en kanal för vätskor. Genom detta mikrofluidsystem kan läkemedel eller flytande embolimedel levereras direkt till användningsstället. Kateterspetsen är utrustad med ett litet gripinstrument som gör att katetern kan greppa och flytta mikroskopiska föremål. Borttagning av små vävnadsprover eller blodproppar föreslås som potentiella tillämpningar. Denna mycket flexibla användning av inbäddad mikroelektronik möjliggörs av integrerade elektroniska komponenter baserade på Swiss-Roll Origami Technology. Med denna teknik kan teamet konstruera mycket komplexa mikroelektroniska sensor- och ställdonkretsar på ett chip, som sedan triggas att rulla upp av sig själva till en Swiss-Roll mikrorörstruktur. Swiss-Roll-arkitekturens multipla lindningar ökar avsevärt den användbara ytan och integrerar sensorer, ställdon och mikroelektronik monolitiskt i den kompakta väggen på den rörformiga mikrokatetern.

Prof. Schmidt och hans team har varit banbrytande för denna teknik under en tid. Extremt tunna, formbara polymerfilmer har visat sig användbara för en mikrorörsarkitektur som kan geometriskt anpassa sig till andra objekt, till exempel manschettimplantat som bioneurala gränssnitt. Ett annat applikationsscenario som denna teknik riktar sig till är katalytiska mikromotorer och plattformar för elektroniska komponenter för att skapa mikroelektroniska simrobotar.

Den mikroelektroniska mikrokatetern överbryggar gapet mellan elektroniskt förbättrade instrument och storlekskraven för vaskulära ingrepp i submillimeteranatomier. I framtiden kan ytterligare sensorfunktioner integreras, vilket utökar utbudet av potentiella applikationer. Till exempel är sensorer för blodgasanalys, biomolekyldetektion och avkänning av fysiologiska parametrar som pH, temperatur och blodtryck tänkbara. Helt nya och flexibla applikationer för minimalt invasiv kirurgi kommer in i möjligheternas rike. + Utforska vidare

Adaptiv mikroelektronik omformar oberoende och upptäcker miljön för första gången