Flexible Gehirnimplantate für mehr Lebensqualität mit Parkinson

Gemeinsam mit europäischen Partnern arbeitete das Fraunhofer IZM an der Entwicklung hochintegrierter, flexibler Gehirnimplantate. Ziel war eine neue, minimalinvasive Lösung für die Behandlung neurologischer Leiden wie Parkinson.

Neurologische Erkrankungen wie Parkinson nehmen in den letzten 25 Jahren stetig zu. Eine
solche Erkrankung stellt sowohl für die Patientinnen und Patienten als auch für deren Angehörige eine Belastung dar. Die Medizin steht ihnen jedoch nicht hilflos gegenüber: Als vielversprechender Behandlungsansatz hat sich die Tiefe Hirnstimulation (THS) etabliert. Dazu werden Elektroden in das Gehirn implantiert. Ihre Anregung erfolgt durch einen Impulsgeber, der im Oberkörper sitzt, umgangssprachlich „Hirnschrittmacher“ genannt.

Mehr Elektroden für präzisere Stimulation

Ein Hirnschrittmacher wird unter anderem zur Behandlung von Zwangsstörungen und dem Tremor, der bei Parkinson oder Multipler Sklerose auftreten kann, eingesetzt. Die dafür notwendigen Gehirnimplantate bringen für Patientinnen und Patienten jedoch Belastungen mit sich. Zudem müssen aktuelle Lösungen mit zwei Elektroden auskommen, was die Genauigkeit der Stimulation einschränkt. Als Alternative haben Forschende aus ganz Europa im Projekt MINIGRAPH ein Implantat entwickelt, das die Komponenten des THS-Systems in einer Einheit integriert.

Dessen Herzstück ist eine eigens designte anwendungsspezifische integrierte Schaltung
(ASIC), die die bidirektionale Kommunikation mit dem Nervengewebe ermöglicht. Die
Verbindung stellen Mikroelektroden aus Graphen her. Mit insgesamt 256 aufnehmenden und
32 stimulierenden Elektroden wird die Auflösung, also die Genauigkeit der Stimulation, deutlich
verbessert. Zudem ermöglicht das Material höhere Ströme und kann damit einem
Toleranzaufbau entgegenwirken.

Das Implantat verzichtet auf die bisher notwendigen langen Verbindungswege von den
Elektroden im Gehirn zum Impulsgeber im Oberkörper, denn das gesamte Implantat wird auf
einem einzigen 200-mm-Wafersubstrat hergestellt.

Kompakter Aufbau macht Implantat flexibler

Bei dessen Aufbau konnte das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration
IZM einige technologische Ansätze unter Beweis stellen: Dafür schufen die
Forschenden eine zweilagige Umverdrahtung mit einem Leitungsabstand von lediglich zehn
Mikrometern. Die Verbindungen zwischen den Schichten sind sogar noch kleiner und wurden
in zehn Mikrometer dickem biokompatiblem Polyimid durch Laserablation hergestellt. Um den
ASIC und die Kapazitäten platzieren zu können, stellten die Forschenden auf der zweilagigen
Umverdrahtung anschließend Kontaktpads aus nanoporösem Gold her, welches ein thermisches Kompressionsverfahren bei 100 statt wie üblich bei 300 Grad Celsius ermöglicht.

Die hochempfindlichen Graphenelektroden werden erst nach dem Herstellen des
nanoporösen Golds beim Projektpartner ICN2 in einem Split-Manufacturing-Verfahren
abgeschieden, weil ein bei der Herstellung des nanoporösen Golds notwendiger Ätzschritt die
Graphenelektroden sonst beschädigen würde. Geschützt wird die Elektronik durch eine
Barriereschicht aus einem biokompatiblen Parylene und einem Aluminiumoxid-Aufbau.

Nach dem Dünnen sind der ASIC und die insgesamt 17 Kapazitäten 70 Mikrometer und das gesamte Implantat nur 100 Mikrometer dünn. Hierdurch bleibt das gesamte Implantat flexibel und passt sich der Form des Gehirns an.

Zudem konnten die Forschenden am Fraunhofer IZM gemeinsam mit den Forschenden am
ICN2 erstmals zeigen, dass sie Graphen auf mikrometerdünnem Gold abscheiden und
strukturieren können. Zur Einbringung des Gehirnimplantats entwickelten die Projektpartner zudem ein minimalinvasives, robotergestütztes Implantationsverfahren, das schneller und
unkomplizierter als die bisher übliche zweistufige Operation durchgeführt wird.