Flexibel und kostengünstig: Gedruckte Biosensoren eröffnen neue Möglichkeiten

Bedruckte Gegenstände sind fester Bestandteil unseres Alltags und überall zu finden. Gedruckte Biosensoren sind aber noch neu. Das Start-up Noxon verwendet etablierte Massendruckverfahren und ersetzt dabei normale Druckfarbe durch nanobasierte Tinte. So entstehen neue Möglichkeiten für medizinische und industrielle Sensoren.

Welche das sind, wollte COMPAMED.de von Maria Neugschwender wissen. Die Gründerin erzählt im Interview von den Anfängen der Entwicklung an der Hochschule München und was chronische Rückenschmerzen damit zu tun haben.

Noxon ist spezialisiert auf gedruckte Biosensorik. Wie funktioniert das genau?

Maria Neugschwender: Wir verbinden die Drucktechnologie mit einer neuen Art von intelligenten Drucktinten und ermöglichen damit den Druck von kostengünstiger Elektronik mit neuen Eigenschaften.

Die Basis hierfür bilden Druckpasten mit metallischen Nanopartikeln oder leitfähigen Polymeren, die in einem Medium gelöst sind und durch Stabilisatoren zusammengehalten werden. In Verbindung mit konventionellen Druckverfahren wie z.B. Flexo- oder Siebdruck werden die Drucktinten gezielt und schichtweise auf ein Trägersubstrat aufgebracht. Nach dem Drucken kommt das System in einen Ofen, wodurch das Lösemittel verdampft und die Stabilisatoren gespalten werden. Insgesamt kommt es damit zu einer Vernetzung der leitenden Partikel und einer globalen Leitfähigkeit.

Kommerzielle Anwendung findet die Technologie bereits auf Folien, OLEDs in Fernsehern oder in der Produktion flexibler Solarzellen. Wir wollten einen Schritt weiter gehen und drucken Biosensorik wie T-Shirt Logos.

Was macht die gedruckten Sensoren aus?

Neugschwender: Durch die Möglichkeit unterschiedliche Druckpasten basierend auf verschiedenen Materialien übereinander zu drucken, ergeben sich Schichtsysteme, welche neue mechanische Eigenschaften erzeugen. Die wohl wichtigste neue Eigenschaft, neben der Gewichtsersparnis und den geringen Produktionskosten ist die Flexibilität der Sensorik. Wir nutzen diese Eigenschaft, um medizinische Elektroden für die Elektrokardiographie (Messung der Herzaktivität) und der Elektromyographie (Messung der Muskelaktivität) neu zu erfinden. Bislang werden die Elektroden manuell auf der Haut platziert, mit Kabel kontaktiert und können nicht über eine längere Zeit angewendet werden. Wir haben die Elektroden weiterentwickelt, sodass diese sich ganz einfach in enganliegende Sportkleidung integrieren lassen. Unsere Sensoren machen es erstmals möglich, die Messmethoden in den Alltag zu integrieren und so z. B. die Muskelaktivität allein durch das Tragen von Kleidung transparent zu machen. Die textilen Elektroden generieren identische Messergebnisse und unterscheiden sich lediglich in der Beschaffenheit der Elektronik. Dabei ist die Haptik vergleichbar mit einem normalen T-Shirt und stört den Bewegungsablauf nicht.

Angefangen habt ihr aber an der Hochschule München. Wie seid ihr auf die Idee gekommen und was waren eure ersten Schritte bei der Entwicklung?

Neugschwender: Ich hatte jahrelang Probleme mit dem Rücken. Die Frustration über die Schmerzen führten zu der Motivation, mehr über deren Ursprung zu erfahren. Durch das in meinem Studium "Druck- und Medientechnik" vermittelten Wissens über die Drucktechnologie, kam die Idee künftig Biosensorik für eine erweitere Rückendiagnostik zu entwickeln.

Im ersten Schritt haben wir uns Hilfe bei Prof. Dr. Moosheimer gesucht. Er ist Professor für gedruckte organische Elektronik und hat uns zu Beginn eine Einschätzung zur Machbarkeit sowie Tipps zur Umsetzung gegeben. Anschließend hielten wir Rücksprache mit weiteren Fachkundigen sowie Instituten und Forschungseinrichtungen im Bereich der Elektromyografie und der gedruckten Elektronik, um am aktuellen Stand der Technik zu entwickeln.

Anfang Januar 2021 wurden dann in enger Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Moosheimer die ersten Sensoren gedruckt und Haupteinflussfaktoren charakterisiert. Die Messergebnisse waren vielversprechend, allerdings mussten die Sensoren noch weiter auf ihre Flexibilität, Robustheit und Produktionsstabilität optimiert werden.

Dazu testeten wir mehrere Versuchsreihen mit verschiedenen Schichtsystemen neu entwickelter Pasten. Parallel haben wir an einem Druckverfahren gearbeitet, welches substratunabhängig ist, sodass wir die Sensoren nicht nur auf Textil, sondern auch auf andere Oberflächen wie z. B. Prothesen oder als eigenständiges Tattoo applizieren können.

Eine aktuelle Herausforderung ist die Kontaktierung – also die Schnittstelle der flexiblen gedruckten Elektronik zur konventionellen Elektronik. Dafür wurden verschiedene Lösungsansätze entwickelt, die wir in den nächsten Monaten ausgiebig testen werden.

Ihr arbeitet aktuell an einem Shirt zur Analyse muskulär bedingter Rückenschmerzen. Wie funktioniert das?

Neugschwender: Rückenschmerzen sind komplex. Ein Teil der Rückenschmerzen ist auf muskuläres Ungleichgewicht zurückzuführen. Um dieses Patientinnen und Patienten sowie Therapeutinnen und Therapeuten sichtbar zu machen, integrierten wir gedruckte elektromyografische Sensoren in ein Kompressionshirt. Während das Shirt getragen wird, wird die Muskelaktivität am Rücken gemessen und analysiert. Innerhalb einer App werden reduzierte Muskelgruppen farblich gekennzeichnet und hinsichtlich ihres Schweregrades charakterisiert. Innerhalb eines Trainingstools kann dann der oder die Nutzende spielerisch diese Muskelgruppe trainieren. Dazu haben wir Spiele entwickelt, welche sich mithilfe des Biofeedbacks der Betroffenen steuern lassen. Ist z. B. die Muskulatur in der rechten unteren Hälfte des Rückens stark reduziert, kann die Patientin oder der Patient durch Anspannung genau dieser Muskulatur einen Avatar im Spiel über Hindernisse springen lassen.

Wo können gedruckte (Bio-)Sensoren noch zum Einsatz kommen? Was ist denkbar?

Neugschwender: Allein im Bereich der Elektromyographie gibt es dutzende Anwendungen, wie im Bereich der Rehabilitation, Prävention, Diagnostik und im Sport. Ein Beispiel ist die Tremor-Unterdrückung bei Menschen mit Parkinson, wo Muskelsignale gemessen und gegenphasig zu den ungewollten Signalen stimuliert werden.

Unsere entwickelten Sensoren messen die körpergenerierte Spannung. Aber es gibt eine ganze Bandbreite an gedruckten Biosensoren, die andere Größen messen. So etwa Chemristoren, ­­­die durch eine spezielle Polymerschicht Hormone-, Protein- oder Metallkonzentrationen vermessen. Dies könnte in Zukunft eine nicht-invasive Glukosemessung für Diabetiker ermöglichen. Oder auch Sensoren, die über eine Widerstandsänderung Rückschlüsse über die Atmung erlauben. Fest steht, dass die besonderen Eigenschaften der gedruckten Biosensorik neue Möglichkeiten schaffen und die Entwicklung gerade erst begonnen hat.