Medizintechnik & Gesundheit

Für medizinische Untersuchungen oder sogar Eingriffe im Körperinnern mit möglichst geringer Belastung des Patienten wurden in den letzten Jahrzehnten Endoskope entwickelt, die eine minimal-invasive Behandlung erlauben. Diese Geräte sind jedoch meist nicht in der Lage, die zu untersuchenden Gewebe so weit vergrößert darzustellen, dass Zellstrukturen erkennbar werden.

Das Fraunhofer IPMS hat deshalb ein Endo-Mikroskop entwickelt, das mit nur 8 mm Durchmesser klein genug ist, um in der minimal-invasiven Medizin Anwendung zu finden. Hiermit können verdächtige Gewebe in vivo mikroskopisch betrachtet, die Untersuchung beschleunigt und notwendige Biopsien gezielter durchgeführt werden.

Das Endo-Mikroskop arbeitet mit einem der im Fraunhofer IPMS entwickelten und gefertigten MEMS-Scannerspiegel. Dieser führt einen fokussierten Lichtstrahl in einem definierten Raster punktweise über das Untersuchungsobjekt, und die von dort reflektierten Lichtanteile werden detektiert und elektronisch zu einem Bild rekonstruiert. Die Mikroskopspitze besteht vor allem aus dem MEMS-Bauelement auf einem Keramikträger zur elektrischen Kontaktierung, einem Umlenkspiegel und einem Linsensystem zur Fokussierung des Lichtstahls in Objektdistanz. Das Licht wird über einen optischen Lichtleiter ein- und ausgekoppelt, der mit den elektrischen Verbindungen zu einem dünnen Leitungsbündel zusammengefasst ist. Der Mikroskopkopf erreicht eine Auflösung von 15 bis 20 µm in einem Gesichtsfeld von etwa 3 × 3 mm. Das Endo-Mikroskop kommt in der Biologie, Biotechnologie und Technik zum Einsatz, um sehr kleine Objekte an schwer zugänglichen Stellen sehen zu können, oder um das Innere von Hohlräumen über enge Zugangskanäle mikroskopisch zu inspizieren.

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Mithilfe mikroskopischer Anwendungen können Objekte oder Strukturen, deren Größe unterhalb des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges liegt, vergrößert betrachtet oder verbildlicht werden. Allerdings ist die Objektbeleuchtung häufig problematisch. Das Fraunhofer IPMS bietet dafür inhouse-entwickelte Lösungen an, die auf Mikrospiegeln beruhen. Sowohl im Bereich der Mikroscanner als auch bei Flächenlichtmodulatoren ist das Institut international führender Forschungs- und Entwicklungsdienstleister mit langjähriger Erfahrung.

Im Bereich der Lichtblattfluoreszenz-Mikroskopie werden die Mikroscanner des Fraunhofer IPMS erfolgreich eingesetzt. So ermöglichen sie im Lichtblattmikroskop Lightsheet Z.1 der Firma ZEISS, dass biologische Proben dreidimensional und schonend über sehr lange Zeiträume hinweg untersucht werden können. Die dort verwendeten MEMS-Scanner sorgen dafür, die Abbildungsqualität zu perfektionieren und unerwünschte Artefakte wie Schattenwurf lichtundurchlässiger Bestandteile der Probe im Lichtblatt zu eliminieren. Das Fraunhofer IPMS besitzt gleichermaßen technologische Kompetenz für die Bauteil- und Systementwicklung von Scannerspiegeln als auch das Anwendungs-Know-how aus über zehn Jahren Entwicklungsarbeit. Derzeit bietet das Institut mehr als 50 verschiedene resonante MEMS-Scanner, die als ein- oder zweidimensional ablenkende Elemente eingesetzt und anwendungsspezifisch angepasst werden können. Mögliche Scan-Frequenzen reichen von ca. 0,1 kHz bis zu 50 kHz.

Bei klassischen Lichtmikroskopen hingegen kommen Flächenlichtmodulatoren zum Einsatz, um Licht unterschiedlichster Wellenlänge mit sehr kompakten Systemen ultraschnell und mikrometergenau abzulenken. Durch den Mikrospiegel-Array-Chip des Fraunhofer IPMS können parallel mehrere Regionen, die kleiner als eine einzelne Zelle sind, gezielt beleuchtet und so spezifische, lichtsensitive Moleküle als Ensemble angeregt werden. Unter Verwendung eines zweiten Chips gelingt es außerdem, nicht nur die Regionen sondern auch die Bestrahlungswinkel genau auszuwählen. Dadurch lassen sich auch verdeckte Objekte, die als Struktur erscheinen, noch präziser hervorheben und die zahlreichen, ungewünschten Umgebungseffekte deutlich reduzieren. Durch eine Steuerung der Auslenkung der Spiegel ist es möglich, Einfallswinkel und Intensität des Lichtes mit bis zu 1000 Wechseln pro Sekunde zu verteilen.

Speziell in der Medizintechnik ist die Sonographie eine etablierte Analysemethode. Für diese bilderzeugende Technik ist der Einsatz von Ultraschallwandlern in Form von Ultraschall-Arrays von maßgeblicher Bedeutung. Die Mehrzahl der heute in der Medizintechnik hergestellten Ultraschall-Arrays nutzt die piezoelektrische Keramik Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), unter Ausnutzung des umgekehrten piezoelektrischen Effekts, zur Schallerzeugung.

Hochfrequente hochauflösende Arrays, basierend auf PZT, sind allerdings schwierig herzustellen und deshalb teuer. Mikromechanisch hergestellte Ultraschallwandler (MUT), vor allem CMUTs, ermöglichen hier neue Möglichkeiten. Durch den Einsatz mikromechanischer Herstellungsprozesse wird die wirtschaftliche Herstellung hochauflösender hochfrequenter Ultraschallarrays erstmals möglich. Weiterhin ermöglicht die hohe Miniaturisierung die Nutzung von MUTs in invasiven Anwendungsfällen (z. B. Intravaskulärer Ultraschall, IVUS).

Die Ergebnisse der bisherigen Entwicklungen lassen für MUTs ein gutes Eigenschaftsprofil für die Fertigung hochfrequenter Arrays erkennen. Dabei sind eine hohe Bandbreite und die niedrige Kopplung grundlegende Bedingungen einer Bildgebung, die an die Standards der konventionellen medizinischen Bildgebung mit Ultraschall anschließen kann. Die hochintegrierte MEMS Technologie ermöglicht erstmals die Signale eines Arrays vor Ort mit einer Ausleseelektronik zu verbinden, um eine einfache und kompakte Kontaktierung der Elemente zu erreichen. Durch die Nutzung dieser Verbindungstechnik lassen sich hochplanare Oberflächen als Kontakt zum Medium realisieren.

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In der Mikrofluidik sind Mikropumpen vor allem im Gesundheitsbereich von großer Bedeutung. Dank ihrer Fähigkeit, Mikrovolumina verarbeiten zu können, sind sie perfekt für die Hochdurchsatz-Screenings bei der Herstellung biopharmazeutischer Proteine, im Protein-Engineering und für Wirkstoff-Screenings geeignet. Auch im Bereich der Point-of-Care-Diagnostik und -Dosierung sind Mikropumpen höchst relevant.

Durch die Möglichkeit ausreichende Strömungsgeschwindigkeiten und Drücke bei niedriger Leistung zu erreichen, können implantierte Infusions-Mikrosysteme die richtige Dosierung eines Arzneimittels an chronisch Kranke liefern. So kann durch das Wegfallen täglicher Screenings die Lebensqualität des Betroffenen erheblich gesteigert werden.

Der Entwurf einer Mikropumpe, der diese Parameter berücksichtigt, ist eine echte Herausforderung. Erste Untersuchungen der Integration neuer, am Fraunhofer IPMS entwickelter elektrostatischer Biegeaktoren als Basiselement von Mikropumpen bestätigen die Realisierbarkeit solcher Systeme. Aus diesem Grund arbeitet das Fraunhofer IPMS bereits heute an einem Konzept, um ein neues Schlüsselelement für die Point-of-Care-Diagnostik zu liefern.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt kundenspezifische Lösungen für Silizium-basierte Komponenten, die in der Mikrofluidik eingesetzt werden und Gase und Flüssigkeiten handhaben können.

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