Verdens mindste mikroelektroniske kateter til fremtidens minimalt invasive kirurgi

Katetre er af afgørende betydning for minimalt invasiv kirurgi. De muliggør indgreb såsom fjernelse af blodpropper, indsættelse af implantater eller målrettet administration af lægemidler og er beregnet til at være særligt skånsomme for patienter. Generelt gælder det, at jo mindre invasiv kateterproceduren er, jo lavere er risikoen for medicinske komplikationer og jo kortere restitutionstid.

Der er dog grænser. For eksempel blev tidligere udviklede sensorer og aktuatorer stadig integreret manuelt i elektroniske katetre. Derudover er kontrol og placering af katetre i kroppen begrænset, fordi de bittesmå instrumenter skal manøvreres eksternt af kirurgen i et komplekst miljø eller placeres med robotassistance. Dette har betydelige ulemper for miniaturisering og brugen af ​​fleksible strukturer, der skal tilpasses kroppen til særlig skånsom brug i kirurgi. Det har også været vanskeligt at integrere yderligere sensorer og funktioner i mikrokatetre, hvilket hæmmer deres potentielle anvendelser.

Under vejledning af prof. dr. Oliver G. Schmidt, leder af professoratet for materialesystemer for nanoelektronik, udpeget som videnskabelig direktør for Center for materialer, arkitektur og integration af nanomembraner (MAIN) ved Chemnitz University of Technology og tidligere direktør ved Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW Dresden), videnskabsmænd ved IFW Dresden i samarbejde med Max Planck Institute for Molecular Cell Biology and Genetics (CBG) har nu præsenteret verdens mindste fleksible, mikroelektroniske mikrokateter.

Smarte funktioner så tynde som et hår:Ny type biomedicinsk værktøj

I dette smarte mikroelektroniske værktøj til minimalt invasiv kirurgi er de elektroniske komponenter til sensorer og aktuatorer allerede integreret i katetervæggen fra starten. "På grund af den specielle fremstillingsmetode har de indlejrede elektroniske komponenter ingen indflydelse på størrelsen af ​​vores katetre, som dermed kan være så tynde som et enkelt hår," siger Boris Rivkin, hovedforfatter på undersøgelsen, som er i gang med sin doktorgrad. ved Chemnitz University of Technology og hans afhandling ved Leibniz IFW Dresden. Instrumenterne har en lille diameter på kun 0,1 mm og er også kendetegnet ved deres fleksibilitet, spændstighed og høje biokompatibilitet. "Ved at bruge mikrochipteknologier til at fremstille mikrokatetrene kan vi generere helt nye typer biomedicinske og multifunktionelle værktøjer," tilføjer prof. Schmidt. Sådanne smarte værktøjer kunne f.eks. bruges i minimalt invasive behandlinger af aneurismer, vaskulære misdannelser eller bugspytkirtelkirurgi.

Forskerholdet rapporterer om verdens mindste mikroelektroniske kateter i en publikation med titlen "Elektronisk integrerede mikrokatetre baseret på selvsamlende polymerfilm" i det aktuelle nummer af tidsskriftet Science Advances .

Fleksibel og udstyret til forskellige applikationer:Nye applikationer til minimalt invasiv kirurgi

Prof. Schmidt og hans team integrerede magnetiske sensorer til navigation og positionering i mikrokateteret. Ligesom et kompas er denne sporing afhængig af svage magnetiske felter i stedet for skadelig stråling eller kontrastmidler, og vil således være anvendelig i dybt væv og under tætte materialer såsom kranieknogler.

Det mikroelektroniske mikrokateter integrerer en kanal til væsker. Gennem dette mikrofluidiske system kunne lægemidler eller flydende emboliske midler leveres direkte til brugsstedet. Kateterspidsen er udstyret med et lillebitte gribeinstrument, der gør det muligt for kateteret at gribe og flytte mikroskopiske genstande. Fjernelse af små vævsprøver eller blodpropper foreslås som potentielle anvendelser. Denne meget fleksible brug af indlejret mikroelektronik er muliggjort af integrerede elektroniske komponenter baseret på Swiss-Roll Origami-teknologien. Ved hjælp af denne teknologi kan teamet konstruere meget komplekse mikroelektroniske sensor- og aktuatorkredsløb på en chip, som derefter trigges til at rulle op af sig selv til en Swiss-Roll mikrorørstruktur. Swiss-Roll-arkitekturens mange viklinger øger det anvendelige overfladeareal markant og integrerer sensorer, aktuatorer og mikroelektronik monolitisk i den kompakte væg af det rørformede mikrokateter.

Prof. Schmidt og hans team har været banebrydende for denne teknologi i nogen tid. Ekstremt tynde, formbare polymerfilm har vist sig nyttige til en mikrorørsarkitektur, der geometrisk kan tilpasse sig andre objekter, for eksempel manchetimplantater som bioneurale grænseflader. Et andet applikationsscenarie, som denne teknologi er målrettet mod, er katalytiske mikromotorer og platforme til elektroniske komponenter til at skabe mikroelektroniske svømmerobotter.

Det mikroelektroniske mikrokateter bygger bro mellem elektronisk forbedrede instrumenter og størrelseskravene til vaskulære indgreb i submillimeteranatomier. I fremtiden kan yderligere sensorfunktioner integreres, hvilket udvider rækken af ​​potentielle anvendelser. For eksempel kan sensorer til blodgasanalyse, biomolekyle-detektion og sensing af fysiologiske parametre såsom pH, temperatur og blodtryk tænkes. Helt nye og fleksible applikationer til minimalt invasiv kirurgi er på vej ind i mulighedernes rige. + Udforsk yderligere

Adaptiv mikroelektronik omformer uafhængigt og registrerer miljøet for første gang