Piezotechnologie für Ultraschallsensoren
Fast seit 30 Jahren beschäftigt sich die PI Ceramic mit der Piezotechnologie, die dank ihrer besonderen Eigenschaften besonders wichtige Beiträge in der medizintechnischen Sensorik leistet. Stichworte hier sind Präzision mit einer Auflösung bis in den Picometerbereich, Dynamik mit einer Reaktionszeit in Mikrosekunden, Energieeffizienz, die auch batteriegetriebene Anwendungen ermöglichen, kompakte Bauform mit Dimensionen in Millimetern sowie ein bi-direktionaler Einsatz als Sensoren und Aktuatoren. Schon heute erfüllen piezotechnologische Bauteile wichtige Funktionen in der diagnostischen Bildgebung, in minimalinvasiven Geräten (z. B. Needle-Tip-Tracking), als Strömungssensoren (etwa zur Luftblasen- und Geschwindigkeitserkennung), zur Füllstandsdetektion, als Drucksensoren und in der Überwachung von Gerätezuständen, in Mikroskopie oder Haltungsveränderungen u. a. beim Einsatz in Wearables.
In verschiedenen Situationen ist die automatische Überwachung von medizinischen Prozessen lebenswichtig. Mit Geräten zum Patientenmonitoring lassen sich Vitalwerte kontinuierlich überprüfen und auswerten, um die richtige Diagnose zu stellen und bei möglichen Auffälligkeiten sofort eingreifen zu können. Dabei ist eine kontaktlose und schonende Überwachung bedeutsam. Ultraschallsensoren auf Basis von Piezokomponenten, die auf den Schläuchen der Überwachungsgeräte angebracht werden können, sind dafür ideal – Ultraschallwellen dringen von außen in den Schlauch ein und gewähren eine kontaktlose Überwachung. Mithilfe der Ultraschallsensoren können darüber hinaus auch verschiedene Medien überwacht werden, beispielsweise kann die Gasdurchflutung von Beatmungsgeräten kontaktlos und kontaminationsfrei gemessen oder lebensgefährliche Luftblasen in Schläuchen wie Herz-Lungen-Maschinen oder Dialysemaschinen erkannt werden. In die Ultraschallsensoren werden Piezokomponenten integriert, die für die Erzeugung des Ultraschalls zuständig sind. PI Ceramic stellt diese Piezoelemente her – speziell auf die Wünsche der Kunden abgestimmt. „Dabei verfügen wir über vielfältige Möglichkeiten der Formgebung, je nach Einsatzzweck“, konstatiert Sandra Niederschuh, Produktmanagerin bei PI Ceramic.
Elektronische Nase soll die medizinische Diagnostik revolutionären
Dank Hightech-Kameras und –mikrofonen können Maschinen heute bereits sehen und hören. Nicht weniger als die Digitalisierung eines weiteren Sinnes haben sich die Partner SmartNanotubes Technologies und duotec auf die Fahne geschrieben – den des Geruchs. „Unsere elektronische Nase ist eine tatsächlich disruptive Technologie, die vielen Anwendungen von der Prozessüberwachung bis zur medizinischen Diagnostik revolutionieren wird“, freut sich Dr. Viktor Bezugly, CEO von Smart NanoTubes. Im Vergleich mit herkömmlichen Gassensoren sind die Smart NanoTubes-Sensoren hoch-sensitiv, energie-effizient, kompakt und leichtgewichtig sowie kostengünstig. Ihre Verwendung erlaubt eine komplexe Mustererkennung, wie sie für Gerüche typisch ist. Mehrere Sensoren erstellen ein „Geruchs-Muster“, eine selbstlernende Software vergleicht diese Muster mit einer Bibliothek und unterscheidet so Gase von Gerüchen. Die cloudbasierte Datenbank wächst permanent weiter, inzwischen füttern sie mehr als 1.000 Benutzer. „Unser Ziel ist z. B. die Früherkennung von Inkontinenz innerhalb von nur fünf Minuten, was Kosteneinsparungen durch reduzierten Reinigungsaufwand von bis zu 100 Euro pro Vorfall generieren kann“, so Bezugly in seinem Forum-Beitrag. Die Entwicklung ist inzwischen so weit fortgeschritten, dass ein Markteintritt mit ersten Produkten schon 2024 möglich werden könnte.
Photonische Biosensoren zur Krebserkennung
In den letzten zehn Jahren sind Biosensortechnologien entstanden, die eine empfindliche und quantitative Detektion von Biomarkern (Indikatormoleküle, z.B. spezielle Proteine oder DNA) für Erkrankungen wie Krebs, Herz-Kreislauf- und Infektionskrankheiten ermöglichen. Das niederländische Unternehmen Surfix arbeitet auf diesem Gebiet mit dem photonischen Biosensor. Diese hochempfindliche, schnelle und markierungsfreie Technologie bietet die Möglichkeit, mehrere Biomarker gleichzeitig nachzuweisen. „Diese Funktion wird zusammen mit niedrigen Stückkosten und der Option, die Produktion einfach zu skalieren, die Welt der medizinischen Diagnostik revolutionieren, indem sie die Point-of-Care-Diagnose und die Behandlungsüberwachung einer Vielzahl von Erkrankungen zulässt“, betont Hans Dijk, Business Development Manager bei Surfix. Der photonische Biosensor von Surfix kombiniert den photonischen Biochip und die mikrofluidische Kartusche mit intelligenten Technologien für die Fluid- und optische Schnittstelle in einem optimierten Prozessablauf. Sowohl der photonische Biochip als auch das mikrofluidische Cartridge profitieren von einzigartigen Nanobeschichtungen, die die Empfindlichkeit des Sensors und den Fluss der Probe verbessern und die unerwünschte Bindung von Biomolekülen reduzieren. Das Auslesen des Signals des photonischen Biosensors erfolgt mit einem Desktop-Reader.
Photonische Biochips nutzen Licht anstelle von Elektrizität, um das Vorhandensein von Biomarkern zu erkennen. Das Licht wandert durch eine spiralförmige Struktur auf dem Chip, vergleichbar mit einer Miniatur-Lichtleitfaser. Rezeptormoleküle, die auf die Oberfläche des photonischen Biochips aufgetragen werden, können basierend auf der Bioerkennung selektiv bestimmte Biomarker in einer Probe einfangen und binden. Die Interaktion zwischen den Rezeptormolekülen und den Biomarkern führt zu einer Veränderung der Eigenschaften des Lichts, die erkannt und in ein nützliches diagnostisches Ergebnis übersetzt wird, z. B. Informationen über das Vorhandensein oder die Konzentration eines bestimmten Biomarkers in der Probe. Surfix konzentriert sich auf die Entwicklung von Diagnostika für verschiedene Krebsarten und den Nachweis onkologischer Biomarker in der Flüssigbiopsie. „Potenziell kann aber jedes Biomolekül mit Hilfe der photonischen Diagnoseplattform von Surfix erkannt werden“, so Dijk.
Zielsetzung im APFEL-Projekt: das intelligente elektronische Pflaster
Die Heilung von Wunden ist ein Problem, das bis heute noch nicht komplett verstanden und gelöst ist. Bei akuten Wunden findet eine Heilung innerhalb von wenigen Tagen bis Wochen statt, je nach Größe der Verletzung. Die Eigenschaft eines elektrischen Gradienten, Zellen in regenerativem Gewebe zu gerichtetem Wandern und Polarisation zu veranlassen, ist der Angriffspunkt für die im BMBF-Projekt „APFEL“ entwickelten Therapieformen: Dabei soll über ein „intelligentes elektronisches Pflaster“ eine beschleunigte und verbesserte Wundheilung herbeigeführt werden. In Zusammenarbeit mit Partnern erforscht das Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme (ENAS) in diesem Vorhaben additive Verfahren für die Herstellung mehrlagiger flexibler elektronischer Systeme. Inzwischen wurde ein Technologiedemonstrator für ein elektrisch aktives Wundpflaster mit gedruckten Elektroden auf flexiblen Substraten erstellt. In einem Scratch-assay wurde in einen Zellrasen eine Lücke eingebracht und das beschleunigte Schließen dieser „Wunde“ nachgewiesen. „Wir haben dazu Siebdruckverfahren für die Herstellung von leitfähigen und isolierenden Multilagenschichten auf flexiblen Substraten angepasst“, berichtete beim COMPAMED Innovationsforum Valeri Fitz, Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung System Packaging am ENAS. Zudem wurden elektrische Durchkontaktierungsvarianten für dünne Foliensubstrate und Aufbau- und Verbindungstechnologien für die hybride Integration von herkömmlichen elektronischen Bauelementen und entsprechende Steuerelektroniken für den Test der Demonstratoren entwickelt. Im Ergebnis steht fest, dass Additive Fertigung zur Entwicklung flexibler medizinischer Pads genutzt werden kann, die sowohl in der Wundtherapie als auch in der Diagnostik Anwendung finden.
