Biomedizinische Mikrosysteme

Ein Schwerpunkt der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Themenbereich Biomedizinische Mikrosysteme liegt auf dem Gebiet der aktiven Implantate. Hier basiert unser Leistungsspektrum mittlerweile auf einem Erfahrungsschatz aus über 20 Jahren in unterschiedlichen Anwendungsbereichen. Die weitere Miniaturisierung implantierter Systeme in Verbindung mit drahtloser Energieversorgung und Kommunikation stehen aktuell im Fokus unserer Projekte. Hierzu sind oftmals spezifische Kommunikationskonzepte nötig, um die vom Kunden geforderten Spezifikationen, die regulativen Vorgaben und auch die von der Physik vorgegebenen Randbedingungen erfüllen zu können. Wir profitieren von Synergien zwischen den Expertisen im Bereich der Aktiven Implantate, Mikrosensorik & Mikrofluidik und Biotelemetrie sowie von den vorhandenen Kompetenzen in den Themenfeldern Neuroprothetik und Neuromonitoring. Im Bereich der Energie- und Datenübertragung zu Implantaten konnten wir einen Meilenstein setzen: Aus einer Kooperation mit der Abteilung Ultraschall des Fraunhofer IBMT ist ein ultraschallbasiertes Energie- und Datenübertragungssystem für aktive Implantate hervorgegangen, welches für bestimmte Anwendungen Vorteile gegenüber elektromagnetischen Übertragungssystemen hat. Die eingesetzte Hardware für die drahtlose Signal- und Datenübertragung wird derzeit weiter miniaturisiert. Dazu entwickeln wir mikrosystemtechnisch hergestellte kapazitive Ultraschallwandler, sogenannte cMUTs, welche speziell für die Kommunikation mit Implantaten optimiert sind.

Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Entwicklung zellbasierter Biosensoren und Organ-on-Chip Systeme, die in enger Kooperation mit der Abteilung Bioprozesse und Bioanalytik durchgeführt wird. Hier exisitiert über ein langjähriges Know-how im Bereich der Miniaturisierung, Herstellung und Integration von sensorischen und mikrofluidischen Systemen auf Basis von Silizium, Glas oder Kunststoff. Neben den konventionellen Methoden der Mikrosystemtechnik setzen wir zunehmend Rolle-zu-Rolle Prozesse ein, welche sich für eine Massenproduktion bei niedrigen Herstellkosten eignen. Dazu zählt das Rolle-zu-Rolle-Heißprägen mikrofluidischer Strukturen, das Drucken elektrisch leitfähiger Strukturen und Elektroden, wie beispielsweise Strukturen aus Graphen, sowie das Drucken von Proteinstrukturen im Mikrometermaßstab mit einer selbst entwickelten Proteintinte. Für das Drucken stehen sowohl Tiefdruck, Siebdruck als auch Inkjetdruck zur Verfügung. Aktuelle Forschungsprojekte zielen darauf ab, komplette Biosensoren zu drucken.

Durch die Kombination von miniaturisierter Elektronik mit Sensorik oder Elektroden lassen sich angenehm zu tragende Monitoringsysteme mit engem Hautkontakt realisieren. Solche Wearables setzen wir ein, um die Mensch-Technik-Interaktion zu verbessern. Die erfassten Daten, wie z. B. Vitalparameter oder Beschleunigungssignale, werden mit Methoden des maschinellen Lernens am Ort der Erfassung ausgewertet. Wir nutzen spezielle Tools, um Lernalgorithmen zu trainieren und diese auf den Mikrocontroller des Wearable zu portieren. In aktuellen Forschungsprojekten entwickeln wir so eine kontextsensitive Therapiebrille, welche die Therapie in Abhängigkeit von der Art der erkannten körperlichen Aktivität variiert. In einem weiteren Beispiel passen wir die Intensität einer Angsttherapie kontinuierlich dem Angstempfinden des Patienten an, um eine optimale Effizienz der Expositionstherapie zu erreichen.