Biologisch abbaubare Transistoren

Elektronik, die sich im Körper rückstandsfrei zersetzt, nachdem sie ihre Aufgabe erfüllt hat, soll neuartige temporäre Implantate ermöglichen.

Neuartige organische Bauteile, die Forscher an der Stanford University entwickelt haben, sollen in einigen Jahren für temporäre medizinische Implantate verwendet werden, die Chirurgen während einer Operation einsetzen können. Ihr Vorteil: Sie sind vollständig biologisch abbaubar, sobald sie ihre Aufgabe erfüllt haben.

"Damit ergeben sich neue Möglichkeiten für Implantate im Körper", meint Robert Langer, Institutsprofessor am MIT, der die Studie kennt, "besonders dann, wenn sich die dabei verwendete Elektronik als kostengünstig erweist". Neben organischer Elektronik zur Steuerung beliebiger Vorgänge könnte die Technik auch neue Mechanismen zur Wirkstoffauslieferung bieten. Solche Komponenten würden dann nach der Einbringung in den Körper von außen aktiviert – beispielsweise, um Antibiotika während des Heilungsprozesses direkt in eine Wunde abzugeben. Auch ließen sich Messwerte über Sensoren direkt an einer Operationsstelle erfassen, um die Gesundung zu überwachen. Danach würde sich ein solches Implantat rückstandsfrei auflösen.

Auch Wissenschaftler an der Tufts University und der University of Illinois in Urbana-Champaign arbeiten an ähnlichen Lösungen. Sie entwickelten kürzlich Silizium-basierte Elektronik auf biologisch verträglichen Seidensubstraten. Diese haben zwar deutlich mehr Leistung als rein organische Halbleiter, sind aber nicht vollständig abbaubar. Die Stanford-Gruppe, die von Zhenan Bao, Professorin für Chemieingenieurwesen, geleitet wird, ist die erste, der es gelang, sich vollständig im Körper zersetzende Halbleitermaterialien zu schaffen. Die daraus erstellten Komponenten sind in Wasser stabil, nach 70 Tagen im Körper aber bis auf wenige Dutzend Nanometer dicke elektrische Kontakte aus Metall komplett abgebaut.

Bis jetzt konnte die Gruppe zeigen, dass sie organische Elektronik bauen kann, die auch unter feuchten Bedingungen arbeitet und sich in einem chemisch dem Körper ähnlichen Niveau auflösen. Dieser Prozess wird durch eine salzige Lösung mit einem leicht basischen pH-Wert angestoßen. Um vor der Auflösung wie gewünscht korrekt zu arbeiten, muss ein solches Implantat in einer Schutzschicht stecken, deren Zusammensetzung so gewählt ist, dass sie sich erst nach der gewählten Nutzungszeit abbaut. Das Prototyp-Implantat der Stanford-Forscher nutzt dazu einen biologisch abbaubaren Kunststoff, der von der US-Gesundheitsaufsicht FDA zugelassen wurde. Das Halbleitermaterial ähnelt dem Hautpigment Melanin, die Kontakte sind aus Gold und Silber. Beide Metalle sind für die Nutzung im Körper zugelassen.

Während sich die Siliziumkomponenten von Tufts University und University of Illinois für Langzeit-Implanate wie Hirn-Schnittstellen besser eignen, bei denen es um einen hohen Datendurchsatz geht, eignen sich vollständig biologisch abbaubare Geräte besser für medizinische Anwendungen mit direkter Wirkung, sagt Bao. Sie spricht dabei insbesondere die Wirkstoffauslieferung sowie die Unterstützung künstlicher Gewebeteile an.

Die Stanford-Forscher planen nun als nächstes, die Arbeitsspannung ihrer Prototyp-Geräte zu reduzieren. Aktuell ist die noch deutlich zu hoch, um sicher im Körper verwendet zu werden. Das Hauptproblem ist die Isolationsschicht, der Nichtleiter. Derzeit besteht dieser aus einem 800 Nanometer dicken Film aus Polyvinylalkohol, der gewählt wurde, weil er sich leicht im Körper abbauen lässt. Seine Schichten sind aber zu dick und komplex, was bedeutet, dass die Spannung der durch sie wandernden Elektronen relativ hoch sein muss. Nun werden dünnere Nichtleiter getestet, darunter auch Lipidmembranen, die nur weniger Dutzend Atome dick sind.

Die Stanford-Gruppe testet außerdem verschiedene andere Materialien als Substrate für die Elektronik. Die organischen Komponenten sind zwar derzeit schon flexibel, aber der verwendete Kunststoff noch zu spröde. Deshalb sollen Substrate aus gummiartigen, streckbaren Polymeren geschaffen werden, die sich besser an biologisches Gewebe anpassen können, etwa am Herzen. Außerdem wird vom Team mit weiteren Beschichtungen experimentiert. Derzeit beginnt das Prototyp-Gerät noch nahezu sofort mit der Zersetzung, wenn es in ein Körperumfeld eingebracht wird. Bao sucht nun nach einer Möglichkeit, den exakten Zeitpunkt des Abbauprozesses zu bestimmen. (bsc)