LCA in der Medizinelektronik: Die richtigen Stellschrauben finden

Ein EEG-Sensor nimmt im Labor langsam Gestalt an. An die Stelle der klassischen Leiterplatte tritt eine neu entwickelte Elektronikstruktur, die mechanische und elektronische Funktionen enger miteinander verbindet. Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend: Gegenüber dem herkömmlichen leiterplattenbasierten EEG-Sensor weist der Prototyp eine um 40 Prozent geringere Umweltwirkung auf. Doch die Analyse zeigt auch, wo weiteres Verbesserungspotenzial liegt. Denn die chemischen Bäder des neuen Fertigungsprozesses tragen wesentlich zu den verbleibenden Umweltwirkungen bei.

Dieses Ergebnis stammt aus dem europäischen Forschungsprojekt SUSTRONICS. Zwischen 2023 und 2026 arbeiteten dort 46 Partner aus elf europäischen Ländern an nachhaltigerer und kreislauffähiger Elektronik. Zu den untersuchten Anwendungen gehörten auch EEG-Sensoren und intelligente Wundauflagen.

Lebenszyklusanalysen (LCA) begleiteten mehrere Entwicklungsgenerationen dieser Produkte. Die Projektpartner nutzten eine bestehende Lösung oder die erste Produktgeneration als Referenz, identifizierten besonders umweltrelevante Komponenten und Prozesse und ließen die Ergebnisse in weitere Entwicklungsentscheidungen einfließen.

Materialien, elektronische Bauteile und Fertigungsprozesse tragen unterschiedlich stark zur Umweltwirkung eines Medizinprodukts bei. Für Entwickler ist deshalb entscheidend, welche Faktoren beim konkreten Produkt besonders ins Gewicht fallen.

Im SUSTRONICS-Projekt diente die Lebenszyklusanalyse dazu, diese Umweltschwerpunkte früh zu erkennen. Auf Grundlage einer ersten Bewertung formulierten die Projektpartner Entwicklungsziele, erprobten alternative Technologien und Materialien und bewerteten deren Umweltwirkung erneut. So entsteht eine Rückkopplung zwischen Umweltbewertung und Produktentwicklung. Entwickler erhalten eine Datengrundlage, die zeigt, an welcher Stelle Veränderungen besonders viel bewirken können.

Wie unterschiedlich solche Entwicklungsentscheidungen ausfallen können, zeigen zwei medizinische Beispiele aus dem Projekt.

Für die EEG-Überwachung untersuchte SUSTRONICS eine Alternative zum herkömmlichen leiterplattenbasierten Sensor. Zum Einsatz kam eine sogenannte LDS-MID-Struktur, bei der Leiterbahnen direkt auf dreidimensionalen Kunststoffbauteilen erzeugt werden. So lassen sich elektronische und mechanische Funktionen enger miteinander verbinden.

Die Lebenszyklusanalyse zeigte zugleich den nächsten Ansatzpunkt: Die chemischen Bäder des LDS-Verfahrens tragen wesentlich zu den verbleibenden Umweltwirkungen bei. Für die industrielle Umsetzung spielen außerdem die Optimierung der Fertigungsausbeute und die Skalierung der Produktion eine wichtige Rolle.

Beim intelligenten Wundverband setzte SUSTRONICS bereits in einer frühen Entwicklungsphase an. Das System erfasst unter anderem Temperatur und pH-Wert. Da sich die Anwendung noch in einer frühen Entwicklungsphase befand, konnten Anforderungen an die Sensorik gemeinsam mit Entscheidungen zu Materialien, Fertigungsverfahren und Produktarchitektur betrachtet werden.

Materialien und Fertigungsverfahren im Vergleich

Für die flexible Elektronik untersuchte das Projekt zwei Fertigungsansätze:

• Subtraktive Fertigung: Kupferleiterbahnen auf einem dehnbaren, teilweise biobasierten TPU-Trägermaterial.
• Additive Druckelektronik: Trägermaterialien wie Papier und PLA (Polylactid) sowie Kohlenstoff für die Leiterstrukturen.

Die additive Druckelektronik benötigt weniger Energie und Material, umfasst weniger Prozessschritte bei niedrigeren Temperaturen und ermöglicht eine größere Auswahl an Trägermaterialien. Kohlenstoff auf Papier erlaubt zudem einen vollständig biologisch abbaubaren Schichtaufbau.

Einweg- und Mehrwegkomponenten gezielt aufteilen

Auch die Produktarchitektur bietet einen Ansatzpunkt. Das Konzept trennt die flexible Einwegelektronik der Wundauflage von einer wiederverwendbaren Ausleseeinheit. Möglichst viele elektronische Komponenten sollen in der wiederverwendbaren Einheit untergebracht werden, da gekapselte integrierte Schaltkreise bei kleinen elektronischen Systemen wesentlich zum CO₂-Fußabdruck beitragen.

Die erfassten Wundparameter können zudem längere Abstände zwischen Verbandwechseln und eine frühere Erkennung von Infektionen unterstützen. Dadurch besteht Potenzial, Material einzusparen und Besuche medizinischer Fachkräfte mithilfe der Fernüberwachung zu reduzieren.

Aus den Projekterfahrungen entstand der sogenannte Eco2Design-Prozess, der Umweltbewertung und Produktentwicklung miteinander verbindet. Ausgangspunkt ist eine Referenzanalyse, die wesentliche Umweltschwerpunkte sichtbar macht und die Grundlage für konkrete Nachhaltigkeitsziele schafft. Während der weiteren Entwicklung werden mögliche Lösungen umgesetzt und erneut bewertet. Daten aus den Pilotanwendungen können die Bewertung anschließend präzisieren und weitere Optimierungen unterstützen.