3D-Druck: Prototyp eines bionischen Auges

Wissenschaftler an der University of Minnesota haben erstmals mit 3D-Druck Lichtrezeptoren auf einer Halbkugel aufgebracht. Die Idee könnte sich als Schritt hin zu einem bionischen Auge erweisen, das einmal Blinden oder Sehbehinderten dazu verhelfen könnte, besser oder überhaupt wieder zu sehen.

Die Arbeit erscheint in Advanced Materials, einem materialwissenschaftlichen Journal. „Bionische Augen werden meist als Science Fiction angesehen, aber nun sind wir dank Multimaterial-3D-Druck näher daran, als jemals zuvor,“ sagt Michael McAlpine, ein Co-Autor der Studie und Professor für Maschinenbau an der University of Minnesota.

Die Entwickler konnten anhand einer gläsernen Halbkugel zeigen, wie sich die schwierige Aufgabe, Elektronik auf gewölbte Oberflächen zu drucken, meistern lässt.  Mit einem speziell dafür gebauten 3D-Drucker nutzten sie eine Tinte mit darin gelösten Silberpartikeln. Die Lösung blieb an Ort und Stelle und trocknete gleichmäßig, ohne herunterzulaufen. Um Photodioden zu drucken, die Licht in Elektrizität umwandeln, verwendeten die Forscher Polymer-Halbleiter. Der gesamte Prozess dauerte etwa eine Stunde.

Das Erstaunlichste sei der Wirkungsgrad von 25 Prozent beim Umwandeln des Lichts in elektrischen Strom mithilfe der gedruckten Halbleiter, so McAlpine. „Wir haben viel Erfahrung im verlässlichen Drucken von aktiven Elektronikbauteilen, aber unsere 3D-gedruckten Halbleiter zeigen jetzt, dass sie mit der Effizienz von Halbleiterbauteilen in der Mikroproduktion mithalten können. Zudem können wir eine Halbleiterbaugruppe auf einer gewölbten Oberfläche aufbringen, was die nicht können.“

McAlpine und seine Mitarbeiter haben sich mit der Integration von 3D-Druck, Elektronik und Biologie in einer einzigen Plattform bereits einen Namen gemacht. Vor einigen Jahren erregten sie mit einem bionischen Ohr weltweit Aufsehen. Seitdem haben sie lebensecht wirkende Organe für chirurgisches Training, elektronische Textilien, die als bionische Haut fungieren, Elektronik direkt auf einer sich bewegenden Hand und Stützgerüste für Menschen mit Wirbelsäulenverletzungen in 3D gedruckt.

McAlpine’s Arbeit am bionischen Auge hat auch einen persönlichen Hintergrund. „Meine Mutter ist auf einem Auge blind, und immer, wenn ich von meiner Arbeit rede, sagt sie: ‚Wann druckst Du mir ein bionisches Auge‘? Im nächsten Schritt solle ein Prototyp mit mehr Lichtrezeptoren entstehen, der sogar noch effizienter sei. Außerdem wollen die Wissenschaftler auch weiche gewölbte Oberflächen bedrucken können, die sich in ein echtes Auge verpflanzen ließen.

Zu den Forschern um McAlpine gehören Ruitao Su , University of Minnesota mechanical engineering Graduate Student, Postdoctoral Researchers Sung Hyun Park, Shuang-Zhuang Guo, Kaiyan Qiu, Daeha Joung, Fanben Meng und Jaewoo Jeong, Undergraduate student.

Die Arbeit wurde unterstützt vom National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering of the National Institutes of Health (Award No. 1DP2EB020537), The Boeing Company und der Minnesota Discovery, Research, and InnoVation Economy (MnDRIVE) Initiative des US-Gliedstaats Minnesota.

„3D Printed Polymer Photodetectors“ auf der Website von Advanced Materials: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201803980

Video: https://youtu.be/U2_zhpXZkS0

Bild: Forscher der University of Minnesota haben einen Bildsensor auf einer Halbkugel ausschließlich per 3D-Druck aufgebracht, was als Prototyp eines bionischen Auges angesehen werden kann, der erste seiner Art. Credit: University of Minnesota, McAlpine Group