Barriereschichten zur biokompatiblen Verkapselung elektronischer Implantate

Elektronische Bauteile in Implantaten müssen eingekapselt werden, damit sie einerseits vor der korrosiven Wirkung des Körpermediums geschützt werden und andererseits keine Stoffe in das Gewebe freisetzen können. Im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts »Theranostische Implantate« hat das Fraunhofer IGB hierzu biokompatible, nur wenige Mikrometer messende Schichten erzeugt, die eine gute Barriere gegenüber Metallionen und Wasser zeigen. Die ausgezeichnete Barrierewirkung und mechanische Stabilität wird dabei durch mehrere Lagen haftfest verbundener anorganischer und organischer Schichten erreicht.

Herausforderung: Schutz von Elektronik und Gewebe

Damit implantierte Elektronik ihre Funktion über einen langen Zeitraum zuverlässig erfüllen kann, muss sie vor der korrosiven Wirkung des Körpermediums geschützt werden. Umgekehrt darf das umgebende Gewebe nicht durch freigesetzte Stoffe aus der Elektronik geschädigt werden oder mit der Ausbildung von fibrösem Gewebe reagieren. Derzeit werden Metall- oder Glasgehäuse zur Verkapselung eingesetzt, die jedoch im Hinblick auf Miniaturisierungspotenzial und Kostensenkung begrenzt sind.

Zur Demonstration der Machbarkeit hat das Fraunhofer IGB Barriereschichten auf einer ringförmigen kupfer- und nickelhaltigen elektronischen Implantatkomponente erzeugt, die eine gute Barriere gegenüber Metallionen und Wasser darstellen. Die Komponenten waren auch nach über sechs Monaten Einlagerung in einem physiologischen Medium noch funktionell und zeigten keine Freisetzung von Kupfer- oder Nickelionen.

Exzellente Barriere und Stabilität

Der neue Lösungsansatz besteht in Multilagen aus anorganischen und organischen Schichten, die zusammen mechanisch stabilere und bessere Barriereschichten erzeugen. Die notwendige Biokompatibilität wurde bei der Materialauswahl mitberücksichtigt. Die Barriereschichten wurden mittels PECVD– und CVD-Verfahren erzeugt und bestehen aus SiOx-, silikonartigen und Parylen-C-Schichten mit einer Gesamtdicke von etwa 20 Mikrometern. Entscheidend für die gute Barrierewirkung ist der haftfeste Verbund der Schichten untereinander sowie die formschlüssige Beschichtung. Die entwickelten Beschichtungen können auf verschiedene Geometrien übertragen werden und so neue miniaturisierte Implantate ermöglichen.

© Fraunhofer IGB

Verkapselte Kupferspule mit aufgelöteter Elektronik.

© Fraunhofer IGB

Elektronenmikroskopische Aufnahme der Multilagenschicht, Parylenschicht.

© Fraunhofer IGB

Elektronenmikroskopische Aufnahme der Multilagenschicht, darunter liegende nanoskalige Multilagenschicht.

Projektinformationen

Projekttitel

Fraunhofer-Leitprojekt »Theranostische Implantate«

 

Projektlaufzeit

Juni 2014 – Mai 2018

 

Projektkpartner

  • Fraunhofer IBMT, Prof. Fuhr (Koordination)
  • Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT
  • Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP
  • Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS
  • Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
  • Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS
  • Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
  • Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS
  • Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP
  • Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS
  • Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
  • Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
  • Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI, Institutsteil Bioanalytik und Bioprozesse