Aktive Implantate: Wie sich Goldatome auf Gummi kleben lassen


Biegsame Elektronikteile könnten den Einsatz von medizinischen Implantaten stark verbessern. Doch elektrisch leitende Goldatome haften etwa auf Silikon in der Regel sehr schlecht. Forschende der Universität Basel können nun kurze Silikonketten so verändern, dass diese die Goldatome fest an sich binden. Die Resultate wurden im Fachblatt «Advanced Electronic Materials» veröffentlicht.

Dünne und biegsame elektrische Leiter sind von zentraler Bedeutung für flexible elektronische Bauelemente. Für medizinische Implantate liegt eine weitere Herausforderung in der Auswahl der Materialien – sie müssen nämlich biokompatibel sein. Prädestiniert für Anwendungen im menschlichen Körper sind Silikone, die mit ihrer Elastizität und Belastbarkeit dem natürlichen Körpergewebe ähnlich sind. Und Gold besitzt eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit, bindet jedoch kaum an Silikon, was diese Strukturen instabil macht.

Molekularer Kunststoffkleber
Ein interdisziplinäres Forschungsteam des Biomaterial Science Center der Universität Basel hat zusammen mit dem Departement Chemie ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, einzelne Goldatome an die Enden der Polymerketten kontrolliert anzubinden. Damit wird eine stabile und homogene zweidimensionale Anordnung von Gold auf Silikonoberflächen erreicht. So können erstmals leitende Schichten mit nur wenigen Nanometern Dicke realisiert werden.

Der neue Ansatz: Thermisches Verdampfen von organischen Molekülen und Goldatomen unter definierten Vakuumbedingungen erlaubt zum einen die Erzeugung ultradünner Schichten. Zum andern kann die Deposition bis zur Bildung eines geschlossenen Films durch sogenannte Ellipsometrie mit atomarer Auflösung verfolgt werden. Die erzeugten mehrlagigen Sandwichstrukturen, die sich mit Masken strukturieren lassen, können ähnlich den menschlichen Muskeln elektrische Energie in mechanische Arbeit umwandeln.

Silikon unter Spannung
Gleichzeitig könnten die neu entwickelten Strukturen als Drucksensor dienen und in Zukunft vielleicht sogar elektrische Energie aus Körperbewegungen gewinnen. Dafür werden die Silikonmembranen mit Elektroden versehen, wobei das vergleichsweise weiche Silikon je nach elektrischer Spannung verformt wird.

Bisher waren die Silikonmembranen einige Mikrometer dick, und für den Betrieb waren Hochspannungen nötig. Die neuen Silikonmembranen im Nanobereich mit den ultradünnen Goldelektroden ermöglichen nun einen Betrieb mit herkömmlichen Batterien. Doch um konkurrenzfähige Produkte auf den Markt zu bringen, müssen die Herstellungskosten erheblich gesenkt werden. Optimistisch meint aber Dr. Tino Töpper, Erstautor der Studie: «Die ausgezeichnete experimentelle Kontrolle bei der Herstellung der nanometerdünnen Sandwichstrukturen ist ein wichtiger Grundstein für eine Langzeitstabilität – und diese ist für medizinische Anwendungen unbedingt erforderlich.»

Originalbeitrag
Tino Töpper, Samuel Lörcher, Hans Deyhle, Bekim Osmani, Vanessa Leung, Thomas Pfohl, and Bert Müller
Time-resolved plasmonics used to on-line monitor metal-elastomer deposition for low-voltage dielectric elastomer transducers
Advanced Electronic Materials (2017), online on June 12th. doi: 10.1002/aelm.201700073

Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Bert Müller, Universität Basel, Biomaterials Science Center, Tel. +41 61 207 54 31, E-Mail: bert.mueller@unibas.ch