’s Werelds kleinste micro-elektronische katheter voor minimaal invasieve chirurgie van de toekomst

Katheters zijn van het grootste belang voor minimaal invasieve chirurgie. Ze maken ingrepen mogelijk zoals het verwijderen van bloedstolsels, het inbrengen van implantaten of het gericht toedienen van medicijnen, en zijn bedoeld om bijzonder zachtaardig te zijn voor patiënten. Over het algemeen geldt: hoe minder invasief de katheterprocedure, hoe kleiner het risico op medische complicaties en hoe korter de hersteltijd.

Er zijn echter grenzen. Zo werden eerder ontwikkelde sensoren en actuatoren nog met de hand geïntegreerd in elektronische katheters. Bovendien zijn de controle en plaatsing van katheters in het lichaam beperkt, omdat de kleine instrumenten door de chirurg extern moeten worden gemanoeuvreerd in een complexe omgeving of met robothulp moeten worden geplaatst. Dit heeft aanzienlijke nadelen voor miniaturisatie en het gebruik van flexibele structuren die zich moeten aanpassen aan het lichaam voor bijzonder zacht gebruik bij chirurgie. Het was ook moeilijk om extra sensoren en functies in microkatheters te integreren, wat hun potentiële toepassingen belemmert.

Onder supervisie van Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, hoofd van het Professorship for Material Systems for Nanoelectronics, aangewezen wetenschappelijk directeur van het Center for Materials, Architectures and Integration of Nanomembranes (MAIN) aan de Chemnitz University of Technology en voormalig directeur van de Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW Dresden), hebben wetenschappers van IFW Dresden in samenwerking met het Max Planck Institute for Molecular Cell Biology and Genetics (CBG) nu ’s werelds kleinste flexibele, micro-elektronische microkatheter gepresenteerd.

Slimme functies zo dun als een haar: nieuw type biomedische tool

In dit slimme micro-elektronische hulpmiddel voor minimaal invasieve chirurgie zijn de elektronische componenten voor sensoren en actuatoren al vanaf het begin geïntegreerd in de katheterwand. “Door de speciale fabricagemethode hebben de ingebouwde elektronische componenten geen effect op de grootte van onze katheters, die dus zo dun kunnen zijn als een enkele haar”, zegt Boris Rivkin, hoofdauteur van de studie, die bezig is met zijn promotieonderzoek. aan de Chemnitz University of Technology en zijn proefschrift aan de Leibniz IFW Dresden. De instrumenten hebben een kleine diameter van slechts 0,1 mm en worden ook gekenmerkt door hun flexibiliteit, veerkracht en hoge biocompatibiliteit. “Door microchiptechnologieën te gebruiken om de microkatheters te maken, kunnen we volledig nieuwe soorten biomedische en multifunctionele hulpmiddelen genereren”, voegt prof. Schmidt toe. Dergelijke slimme hulpmiddelen kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt bij minimaal invasieve behandelingen van aneurysma’s, vasculaire malformaties of pancreaschirurgie.

Het onderzoeksteam rapporteert over ’s werelds kleinste micro-elektronische katheter in een publicatie getiteld “Elektronisch geïntegreerde microkatheters op basis van zelf-assemblerende polymeerfilms” in het huidige nummer van het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang.

Flexibel en uitgerust voor diverse toepassingen: Nieuwe toepassingen voor minimaal invasieve chirurgie

Prof. Schmidt en zijn team integreerden magnetische sensoren voor navigatie en positionering in de microkatheter. Net als een kompas steunt deze tracking op zwakke magnetische velden in plaats van schadelijke straling of contrastmiddelen, en zou dus toepasbaar zijn in diep weefsel en onder dichte materialen zoals schedelbotten.

De micro-elektronische microkatheter integreert een kanaal voor vloeistoffen. Via dit microfluïdische systeem konden medicijnen of vloeibare embolische middelen direct op het punt van gebruik worden afgeleverd. De kathetertip is uitgerust met een klein grijpinstrument waarmee de katheter microscopisch kleine objecten kan grijpen en verplaatsen. Het verwijderen van minuscule weefselmonsters of bloedstolsels wordt voorgesteld als mogelijke toepassingen. Dit zeer flexibele gebruik van embedded micro-elektronica wordt mogelijk gemaakt door geïntegreerde elektronische componenten op basis van de Swiss-Roll Origami-technologie. Met deze technologie kan het team zeer complexe micro-elektronische sensor- en actuatorcircuits op een chip bouwen, die vervolgens worden geactiveerd om zichzelf op te rollen tot een Swiss-Roll-microbuisstructuur. De meervoudige windingen van de Swiss-Roll-architectuur vergroten het bruikbare oppervlak aanzienlijk en integreren sensoren, actuatoren en micro-elektronica monolithisch in de compacte wand van de buisvormige microkatheter.

Prof. Schmidt en zijn team zijn al geruime tijd een pionier op het gebied van deze technologie. Extreem dunne, vormbare polymeerfilms zijn nuttig gebleken voor een microbuisarchitectuur die zich geometrisch kan aanpassen aan andere objecten, bijvoorbeeld manchetimplantaten als bioneurale interfaces. Een ander toepassingsscenario waarop deze technologie zich richt, zijn katalytische micromotoren en platforms voor elektronische componenten om micro-elektronische zwemrobots te creëren.

De micro-elektronische microkatheter overbrugt de kloof tussen elektronisch verbeterde instrumenten en de grootte-eisen van vasculaire interventies in submillimeteranatomieën. In de toekomst kunnen extra sensorfuncties worden geïntegreerd, waardoor het scala aan potentiële toepassingen wordt uitgebreid. Denkbaar zijn bijvoorbeeld sensoren voor bloedgasanalyse, detectie van biomoleculen en detectie van fysiologische parameters zoals pH, temperatuur en bloeddruk. Geheel nieuwe en flexibele toepassingen voor minimaal invasieve chirurgie komen tot de mogelijkheden.