Untersuchungen zu einem neuen mikrotaktilen Sensorkonzept basierend auf piezoelektrisch gekoppelten künstlichen Mikrohaaren für die autonome Navigation in der Medizintechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das vorgeschlagene Sensorkonzept für den medizintechnischen Einsatz basiert auf kleinen und flexiblen Mikrohaaren, die auf piezo-elektrischen Folien-Elementen platziert werden und sich so auf Kathetern oder Messinstrumenten anbringen lassen. Die so entstandenen Einheiten dienen als Sensoren für Normalkräfte, die auf die einzelnen Mikrohaare einwirken. Auf diese Weise lassen sich taktile Sensor-Arrays realisieren, die für den Einsatz in der autonomen Navigation in der Medizintechnik nützlich sind. Zur Herstellung wird mittels Laserstrahlbohren eine Masterform als Negativ hergestellt, in der die Mikrohaare mit einer Gießtechnik abgeformt werden. Die Untersuchungen mit solchen Sensorhaaren ergaben, dass man das Berühren und Knicken als Signal eindeutig mit dem piezoelektrischen Sensor am Fuß des Haares detektieren kann. Auch für mehrere Mikrohaare mit unterschiedlicher Länge auf dem Sensor kann man deren Berührungshistorie eindeutig unterscheiden. Die Versuche mit reiner Biegelast zeigten nur geringe bis nicht detektierbare Signale, so dass Strömungseffekte keine Auswirkungen auf das so erfasste Sensorsignal haben. Jedoch zeigt sich eine deutliche Empfindlichkeit des Piezosensors gegen Druckschwankungen in der Strömung. Da diese aber auf mehreren Sensorfeldern gleichzeitig auftreten, kann die Druckschwankung durch Signalbearbeitung ausgefiltert werden. Verschiedene Sensorproben wurden gefertigt und in Versuchsaufbauten getestet. Bezüglich der Blutverträglichkeit konnte nachgewiesen werden, dass das Material PDMS in Blut im statischen Test lediglich zu einer moderaten Zerstörung von Erythrozyten (Hämolyse) führt. Im dynamischen Test erwiesen sich die Mikrohaare als hoch thrombogen. Verbesserungen hierbei konnten durch eine Titan-Monolayer-Beschichtung oder eine Beschichtung mit PEG erzielt werden. Abschließend ist es gelungen, einen solchen Sensor als Tastkopf an der Spitze eines Katheters zu implementieren, der in Prinzipversuchen zur Navigation in einem komplexen Gefäßkanal erprobt wurde. Für den medizintechnischen Einsatz ist eine weitere Miniaturisierung der elektronischen Komponenten nötig, aber auch allein die passive Funktion der Haare kann bei der autonomen Navigation solcher Katheter bereits sehr nützlich sein, um z. B. Verletzungen zu vermeiden oder die Zentrierung des Katheters zu gewährleisten (Stichwort Cochlea-Implantat). Hierzu sind weitere Forschungsarbeiten geplant. Weiterhin ist geplant, durch das Einbringen magnetischer Nanopartikel in die Haarspitzen gezielt magnetische Eigenschaften in den Mikrohaaren zu erreichen. Außerdem ist eine ausgiebige Studie von hohlen Mikrohaaren von großem Interesse, z. B. als Medikamenten-Depot oder als Speicher für Kontrastmittel. Die Thrombogenität der Mikrohaarstrukturen könnte zudem für gezielt erwünschte Gefäßverschlüsse nutzbar gemacht werden (Mascheneffekte).
