Fortschritte in der Biomedizintechnik durch hochpräzise 3D-Druck-Innovationen

Lidocain-Pflaster werden im klinischen Bereich häufig zur Linderung von Beschwerden und Schmerzen eingesetzt. Diese Pflaster bieten zwar erhebliche Vorteile, doch kann eine Überdosierung zu schweren Nebenwirkungen führen, die sich auf das Herz-Kreislauf-System und das zentrale Nervensystem auswirken und lebensbedrohliche Risiken darstellen. Daher besteht ein großer Bedarf an einem schnellen, empfindlichen und benutzerfreundlichen Point-of-Care-Gerät, das Lidocain vor Ort nachweisen kann.

Um diesen Bedarf zu decken, hat das Team der UNC ein fortschrittliches, maschinenlernfähiges, drahtloses Mikronadel-Array entwickelt, das in ein elektrochemisches Point-of-Care-Gerät mit Siebdruckelektroden integriert ist. Dieses innovative Gerät ist für die schnelle und effektive Bestimmung des Lidocainspiegels konzipiert. Nach dem erfolgreichen Abschluss ihres ersten Forschungsprojekts bestätigten die Ergebnisse die Wirksamkeit der von ihnen vorgeschlagenen 3D-gedruckten, auf Mikronadeln basierenden Sensorplattform. Diese Plattform war in der Lage, mikromolare Konzentrationen von Lidocain in künstlicher interstitieller Flüssigkeit nachzuweisen.

Mit einem microArch S130 2µm 3D-Drucker war das Team in der Lage, das kundenspezifische Mikronadel-Array-Design in verschiedenen Auflösungen und Größen mit Präzision und Genauigkeit zu drucken. Diese technologische Fähigkeit war entscheidend für die Entwicklung des auf Mikronadel-Arrays basierenden Biosensors für den Lidocain-Nachweis.

Die vielversprechenden Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Plattform für die Entwicklung verschiedener elektrochemischer Sensoren weiter erforscht werden kann, die den Vor-Ort-Nachweis anderer Biomarker in der interstitiellen Flüssigkeit erleichtern. Dieser Fortschritt birgt ein erhebliches Potenzial zur Erhöhung der Patientensicherheit und zur Verbesserung der klinischen Ergebnisse in verschiedenen Bereichen des Gesundheitswesens.

Entwicklung eines mikronadelbasierten kolorimetrischen pH-Sensorpflasters

Der pH-Wert spielt bei verschiedenen biologischen Prozessen eine entscheidende Rolle und beeinflusst den Nährstoffgehalt, die Wundheilung und das chemische Verhalten. Daher sind die Lebensmittelindustrie und das Gesundheitswesen zunehmend an der Entwicklung kostengünstiger optischer pH-Sensoren für Anwendungen wie die Erkennung von Fleischverderb und die Überwachung der Wundgesundheit interessiert.

Um diesem Bedarf gerecht zu werden, hat Narayans Team ein einfaches und erschwingliches maschinelles Lernen ermöglichendes mikronadelbasiertes Pflaster zur kolorimetrischen pH-Messung entwickelt. Dieses innovative Pflaster ist für zwei Anwendungen konzipiert: Überwachung der Lebensmittelqualität und Beurteilung der Wundgesundheit. Nach Abschluss ihres Forschungsprojekts haben die In-vitro-Ergebnisse die Wirksamkeit des mikronadelbasierten kolorimetrischen pH-Messpflasters nachgewiesen. Die Daten bestätigten, dass das Pflaster sowohl für die Überwachung des pH-Werts von Wunden als auch für die Erkennung von Fleischverderb erfolgreich eingesetzt werden kann.

Die Fähigkeit des BMF-3D-Druckers, Teile mit einer Auflösung von 2-25 Mikrometern mit Hilfe der Projektionsmikrostereolithografie (PµSL) herzustellen, ermöglichte die Herstellung komplizierter und genauer Mikronadeln. Diese Präzision war für die Entwicklung der pH-Sensorik unerlässlich.

Die Entwicklung dieses vielseitigen und kostengünstigen pH-Sensorpflasters hat erhebliche Auswirkungen sowohl auf das Gesundheitswesen als auch auf die Lebensmittelindustrie. Es bietet eine praktische Lösung für die Gewährleistung der Lebensmittelsicherheit und die Verbesserung der Wundversorgung, wodurch die Gesundheitsergebnisse insgesamt verbessert werden.

Entwicklung eines 3D-gedruckten Mikronadel-Arrays für die Extraktion und Überwachung von ISF

Recent studies have explored various mechanisms for interstitial fluid (ISF) collection, including diffusion, vacuum convection, capillary action, osmosis (using a hydrogel), and hollow microneedle (MN) arrays. ISF flow rates differed based on the presence of convective forces, with technique efficiency ranked as follows: diffusion < capillary action < osmosis < applied pressure/suction. However, vacuum-driven systems proved to be complex, cumbersome, and limited by variable tissue hydration properties.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwickelte Narayans Team ein 3D-gedrucktes MN-Array-basiertes Point-of-Care-Gerät im Mikrobereich für die ISF-Extraktion und die Überwachung von Analyten. Dieses innovative Gerät nutzt die druckgesteuerte Konvektion zur effizienten Entnahme von ISF. Das integrierte MN-Gerät gewann erfolgreich ein ausreichendes ISF-Volumen (3,0 μL) für nachgeschaltete Analysen. Die schräge Struktur der MNs dehnte die Epidermisschicht an der MN-Spitze erheblich aus, was eine Faltung der Haut in der Nähe der Spitze verhinderte und den Prozess der Hautpenetration verbesserte.

Das Team der UNC wollte Mikronadeln mit einer Höhe zwischen 500 Mikrometern und 1,4 Millimetern herstellen. Die 3D-Drucktechnologie von BMF war die einzige, die die erforderliche Genauigkeit und Präzision für diese Mikronadeln erreichen konnte.

Dieses 3D-gedruckte MN-Array-basierte Gerät stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der ISF-Extraktion und -Überwachung dar. Sein effizientes und benutzerfreundliches Design bietet ein großes Potenzial für verschiedene Point-of-Care-Anwendungen und verbessert die Genauigkeit und Einfachheit der ISF-Entnahme und -Analyse im klinischen Umfeld.

Entwicklung von integrierten Kohlenstofffaser-Multikontaktelektroden für die 5-HT-Sensorik

Herkömmliche Verfahren zum Nachweis von Analyten verwenden Kohlenstofffasern (mit einem Durchmesser von 10 μm und einer Länge von ∼5 cm), die an Kupferdrähten befestigt sind. Trotz der Miniaturisierung haben diese Designs ihre Grenzen. Dazu gehören die makroskopische Größe der Elektrodenverbindungen, komplexe Elektrodenmontageprozesse und eine begrenzte Kontrolle über die räumliche Anordnung der Elektroden.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwickelte das Team der UNC Konfigurationen von integrierten Multikontaktelektroden (MCCFE) aus Kohlenstofffasern speziell für die 5-HT-Sensorik. Die MCCFEs verfügen über einzelne Aufzeichnungselektroden in einer flexiblen Konfiguration mit höherer Dichte, wodurch die Einschränkungen früherer Designs überwunden werden. Die MCCFEs verfügen über zahlreiche elektroaktive Stellen, eine angemessene Zugfestigkeit und chemische Stabilität, die für eine wirksame elektrochemische Sensorik auf faserbasierten Plattformen unerlässlich sind. Die anfängliche Behandlung der Kohlenstofffasern mit Ultraschall löste Kavitationsereignisse aus, die die Ablösung glatter Kohlenstoffschichten erleichterten. Dieser Prozess verbesserte das Verhalten der Grenzflächenelektroden, z. B. das Eindringen von Elektrolyten, erheblich.