Verkapselung, Biofunktionalisierung oder Elektronik-Zell Interface – die Atomlagenabscheidung ermöglicht neue Anwendungen in der Medizintechnik

Am Fraunhofer IMS ist es möglich aktive Implantate vollständig zu verkapseln, da die ALD-Prozesse auf die konforme Beschichtung von 3D-Objekten angepasst sind. Die Materialien werden dabei so gewählt, dass sie biokompatibel und stabil im jeweils vorherrschenden Körpermilieu sind.

Es konnte gezeigt werden, dass die Lebensdauer von aktiven Implantaten im feuchten Körpermilieu durch eine zusätzliche ALD-Verkapselung enorm gesteigert werden kann.  Der Vorteil gegenüber einem rigiden Titangehäuse ist der geringe Platzbedarf, was gerade im Bereich der extremen Miniaturisierung eine entscheidende Rolle spielt.

Eine „intelligente Verkapselung“ lässt sich durch Erweiterung um eine sensorische ALD-Schicht erreichen. Am Fraunhofer IMS ist auf diese Weise eine Verkapselung entwickelt worden, welche sich eigenständig und gleichermaßen an der gesamten Implantats-Oberfläche auf Schäden hin überwacht. Dies wird erreicht, indem innerhalb des Implantats kontinuierlich die Feuchtigkeit überwacht wird. Eine weitere sensorische Eigenschaft von ALD-Schichten in diesem Kontext ist die pH-Sensitivität. 

Die Funktionalisierung und exakte Einstellung von Oberflächen bietet viele Vorteile im bio-medizinischen Bereich. Bei einem fluidischen Zell-System ist auf diese Weise die Hydrophilie der Chip-Oberfläche so angepasst worden, dass die Flüssigkeit – und somit die darin enthaltenen Zellen – optimal transportiert werden konnte. Auch antibakterielle oder sterilisierbare Eigenschaften, welche im medizinischen Umfeld eine große Rolle spielen, lassen sich mit Hilfe der ALD-Prozesse auf der Oberflächen aufbringen.

Mit leitfähigen und ultra dünnen Nanonadeln aus ALD-Materialien, mit Durchmessern im Nanometer-Bereich, lassen sich intrazelluläre Messungen durchführen. Die Nadeln sind dabei so designt, dass sie in das Zellinnere eindringen und dort die elektrischen Impulse ableiten können. Für eine parallelisierte Auslesung vieler Zellen wurden die Nanonadeln als Array direkt auf einer CMOS-Schaltung aufgebracht. Da die elektronische Schaltung bei Temperaturen von über 400 °C geschädigt würde, ist bei der Prozessentwicklung das vorgegebene Temperaturbudget entsprechend berücksichtigt worden. Erste Messungen haben gezeigt, dass die Zellen das Penetrieren der Nanonadeln tolerieren und weiter elektrische Signale abgeben, welche entsprechend abgeleitet werden können. 

Ein Zukunftsfeld im Bereich der ALD sind die 2D-Materialien, welches in der neuen Attract Gruppe „Ultra-thin transition-metal dichalcogenides for surface-modified functional layers“ unter der Leitung von Frau Prof. Anjana Devi vorangetrieben wird.

Aufgrund der extrem großen Oberfläche im Verhältnis zu nahezu keinem Volumen sind viele sensorische und funktionalisierende Eigenschaften verstärkt vorhanden. Erste Untersuchungen wurden in diesem Bereich am Fraunhofer IMS mit MoS₂ durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass MoS₂ mittels ALD abgeschieden werden kann und erste Charakterisierungen der Materialeigenschaften waren vielversprechend.