Schlüsseltechnologien wie die Mikro- und Nanotechnik sind mittlerweile fest im Markt der Medizintechnik etabliert. Die Technologien sind unabdingbar für die Herstellung smarter miniaturisierter Medizingeräte.
Die Mikrotechnik ermöglicht bereits heute die Fertigung unterschiedlichster mobiler Diagnostik-, Monitoring- und Therapiesysteme. Auch mikroelektronische Implantate spielen eine immer größere Rolle. Intelligente Implantate kombinieren Therapie und Diagnose zu sogenannter „Theranostik“ in einem einzigen System. Sie verbinden Sensoren, Aktoren und Signalverarbeitung. Moderne Methoden der Mikro- und Nanotechnologie helfen, die winzigen Komponenten der Implantate hermetisch abzusichern, um langfristige Stabilität und Sicherheit zu erreichen.
Klein, aber oho
„Die Life-Science-Industrie weist eine steigende Nachfrage zur Miniaturisierung, Mikrostrukturierung und Integration von optischen und elektrischen Funktionen in kostengünstigen Komponenten auf“, bestätigt Peter Kirkegaard, CEO der schweizerischen IMT Masken und Teilungen. IMT reagiert auf diesen Bedarf mit dem Einsatz von Fertigungstechnologien aus der Halbleiterindustrie. Auf Basis von Glas fertigt das Unternehmen Mikrokanäle, Durchgangslöcher, Elektroden, optische und elektrische Beschichtungen, Wellenleiter und Gitter – die kleinsten Strukturen haben winzige Abmessungen bis hinab zu nur noch 150 Nanometern (zum Vergleich: die kleinsten Bakterien sind ungefähr 300 Nanometer lang). Ihr Einsatzgebiet sind unter anderem Lab-on-a-Chip-Systeme.
Einen speziellen miniaturisierten, in Silizium integrierten Sensor für Wearables hat das Erfurter CiS Forschungsinstitut entwickelt: Der multispektrale Photoplethysmographie-Sensor erfasst die Reflexionen ausgesendeter Infrarotlicht-Strahlen. Daraus lassen sich Messwerte für Puls, arterielle Sauerstoffsättigung, Herzratenvariabilität, Atemfrequenz sowie Informationen zur Gefäßsteifigkeit und Anzeichen von steigendem oder fallendem Blutdruck ableiten. Die Sensoren werden im äußeren Gehörgang platziert und nutzen bis zu vier LEDs unterschiedlicher Wellenlängen, um zusätzlich Messwerte aus verschiedenen Gewebetiefen aufnehmen zu können und um Bewegungsartefakte zu erkennen und zu eliminieren.
Roboter in der Blutbahn
Ein besonders ausgefallenes Beispiel für die immer weiter fortschreitende Miniaturisierung sind Nanoroboter in der Blutbahn, die selbstständig Operationen durchführen. Entsprechende Konzepte hat das Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart mit zwei verschiedenen Mikroschwimmern entwickelt. Dabei handelt es sich einerseits um eine Art Muschel, die sich durch Öffnen und Schließen fortbewegt, sowie um eine Schraube, die durch Rotation vorankommt. Ihr Durchmesser liegt bei nur 100 Nanometern, ihre Länge bei 400 Nanometern. Ein rotierendes Magnetfeld, das von außen angelegt wird, bringt die Mini-Schraube in Bewegung. Das Herstellungsverfahren für die speziellen Schwimmer ist der 3D-Druck. Alle eingesetzten Materialien wie Polydimethylsiloxan sind biokompatibel und körperverträglich. Die Forscher stellen sich vor, dass die Nanoroboter eines Tages zum Beispiel Tumortherapeutika direkt bis in den Tumor bringen. „Theoretisch ist bei der Größe unserer Konstruktion sogar eine Verwendung innerhalb von Zellen denkbar“, erläutert Peer Fischer, Leiter der Arbeitsgruppe Mikro-, Nano- und Molekulare Systeme am MPI für Intelligente Systeme. In jedem Fall sollen die Winzlinge dazu beitragen, Eingriffe minimal zu gestalten, ihre Effektivität zu verbessern und die dafür notwendige Zeitspanne zu verkürzen. Allerdings dürfte es noch einige Jahre dauern, bis diese Science-Fiction Realität wird.