Beiträge zur additiven Herstellung biokompatibler flexibler und dehnbarer Elektronik

Die Etablierung der Telemedizin stellt neue Herausforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik. Neue medizintechnische Anwendungen für die breite Gesellschaft erfordern biokompatible, flexible und dehnbare Elektronik, die zugleich kostengünstig und individuell hergestellt werden kann. Einen vielversprechenden Ansatz bietet die Verwendung additiver Herstellungsverfahren. Gegenstand dieser Arbeit ist die Materialauswahl für flexible und dehnbare Mikrosysteme vor dem Hintergrund der Anforderungen für zukünftige biomedizinische Anwendungen und unter Verwendung ausschließlich additiver Verfahren. Der grundlegende Aufbau gedruckter Elektronik, bestehend aus Leiterzügen verschiedener Nanopartikeltinten und polymeren Substraten, wird hinsichtlich biologischer und mechanischer Eigenschaften untersucht. Diese Charakterisierung beinhaltet die Evaluation der Zytotoxizität, Haftfestigkeit, Biegebelastung und Dehnungsbelastung der Materialkombinationen. Im Fokus steht der Inkjetdruck von Platintinte auf flexiblen Polyimid- und dehnbaren Polyurethansubstraten. Aufgrund der Inkompatibilität zwischen der erforderlichen Sintertemperatur der Platintinte und der Erweichungstemperatur des Polyurethans, wird das photonische Sintern untersucht. Dafür kommen Lasersintern und Blitzlampensintern zum Einsatz. Die Platintinte zeigt ausgezeichnete Eigenschaften im Zytotoxizitätstest durch 98 %ige Zellvitalität im Vergleich zur biokompatiblen Referenz. Die bestimmten Haftfestigkeiten liegen zwischen 0,5N/mm2 und 2,5N/mm2 und entsprechen damit aktuellen Literaturwerten. Weiterhin zeigt das Ergebnis von Biegetests vielversprechende flexible Eigenschaften. Der Widerstand nach 180 000 Biegezyklen erhöht sich bei einem Biegeradius von 5mm um maximal 9,5% und bei 2mm um maximal 42 %. Die Dehnungstests mit Horseshoestrukturen aus Silbertinte zeigen ca. 400 Dehnungszyklen bei 10% Dehnung und ca. 400 Zyklen bei 20% Dehnung bis zur vollständiger Leiterzugunterbrechung. Zwei Demonstratoren validieren das Potential der ausschließlichen Nutzung von additiven Prozessen zur Herstellung biomedizinischer Mikrosysteme. Der erste Demonstrator ist eine Hautelektrode, welche sich durch temporären Elektroden-Hautkontakt zur Hautleitwertmessung eignet. Der zweite Demonstrator beinhaltet eine miniaturisierte, gedruckte Interdigitalelektrode, die durch die Anwendung von Nanosekundenimpulsen in der Lage ist, Zellen zu manipulieren. Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit zeigen das große Potential der Nutzung additiver Prozesse für die Herstellung von Medizinprodukten