Biegsame Kunststoff-Chips überwachen Körperfunktionen

Ein kleines Blutlabor für die Jackentasche, das vor einem Langstreckenflug rasch die Gefahr eines Blutgerinnsels in den Beinen analysiert, oder ein Sensorarmband, das Elektrosmog messen kann und Patienten mit Herzschritt-machern vor lebensbedrohlicher Strahlung warnt - "intelligentes Plastik" kann dies möglich machen. Daran arbeiten Forscher am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in München.

Sensorarmband mit einem Elektroluminiszenz-Display (Fraunhofer IZM)
Sensorarmband mit einem Elektroluminiszenz-Display (Fraunhofer IZM)

Jährlich erkranken in Deutschland etwa 80 000 Menschen am Verschluss eines Blutgefäßes durch ein Blutgerinnsel. Solche Thromben können eine Lungenembolie oder einen Schlaganfall auslösen. Von der tiefen Beinvenenthrombose können auch Passagiere von Langstreckenflügen betroffen sein. Mit dem neuen System ließe sich künftig einfach untersuchen, ob ein Verdacht auf eine Reisethrombose vorliegt oder nicht. Der Fluggast müsste nur einen Tropfen Blut auf das Messgerät geben. Die Besonderheit des winzigen Lap-on-Chip: Das System ist aus Kunststoff aufgebaut und lässt sich kostengünstig auf Folie herstellen. Damit wäre es möglich, preiswerte Einweg-Diagnosesysteme zu fertigen. Noch sind solche kleinen Analysesysteme Zukunftsmusik. Im EU-Projekt "diagnosing dvt" entwickeln Forscher aus acht europäischen Ländern wichtige Grundlagen für das Labor auf dem Plastik-Chip.

"Das Beispiel macht die Möglichkeiten der Polytronik deutlich. Eine am Menschen orientierte vernetzte Welt, Stichwort Ambient Assisted Living, braucht preiswerte, multifunktionale, allgegenwärtige Systeme. Um die dafür erforderliche Infrastruktur aufzubauen, müssen sich elektronische Systeme in großen Stückzahlen kostengünstig auf großen Substraten fertigen lassen. Und das wäre mit der Polymerelektronik möglich", sagt Prof. Dr. Karlheinz Bock, Leiter der Abteilung "Polytronische Systeme" am IZM. Polytronik oder Polymerelektronik ist eine Schlüsseltechnologie, die Kunststoffe und Elektronik zusammenführt. Ein großer Vorteil ist die einfache und kostengünstige Herstellung: Die Polymermaterialien lassen sich lösen und dann wie elektronische Tinte durch Druckverfahren strukturiert auf flexible Folien aufbringen. "Damit können wir kleine, handliche und einfach bedienbare Systeme bauen, die vor allem kranken und älteren Menschen das Leben erleichtern", erläutert Bock.

An der Entwicklung des Diagnosesystems für tiefe Venenthrombose arbeiten acht führende europäische Forschungsinstitute und High-Tech-Firmen. Das Herzstück des künftigen Analysegerätes, ein Lab-on-Chip, wurde am IZM gebaut und getestet. Es ist eine kleine, hochpräzise gefertigte Einweg-Kartusche, mit deren Hilfe ein Blutstropfen biochemisch untersucht wird. Sie besteht aus einer 3 mm dicken, 22 mm breiten und 70 mm langen Polykarbonatplatte und vereinigt zwei wesentliche Komponenten des Gerätes: das wichtigste Bauteil - eine 150 Mikrometer dünne Folie, auf der ein filigranes Netzwerk aus Leiterbahnen und Sensoren aus Gold zur Blutanalyse aufgebracht ist, sowie 120 Mikrometer tiefe Fluidkanäle, die das Blut zu den Analyseelementen leiten. In den Sensoren sind die Antikörper auf Nanoelektroden integriert, mit denen sich die Konzentration von Blutgerinnungsmarkern bestimmen lässt. Ist sie erhöht, besteht die Gefahr, dass sich ein Thrombus, ein Blutgerinnsel, bildet.

Nicht nur für thrombose-gefährdete Passagiere auf Landstreckenflügen oder Schlaganfallpatienten, sondern auch für Raucher, Schwangere oder Übergewichtige kann dieses System ein wichtiger Lebensbegleiter sein. Sie müssten nicht mehr tagelang auf das Laborergebnis warten, das sie darüber aufklärt, ob sich im Blut Gerinnsel gebildet haben. Wie beim Zuckertest würde ein Tropfen Blut der Patienten auf der Einweg-Kartusche genügen, die der Arzt in ein handliches kleines Lesegerät steckt. Innerhalb von ein paar Minuten kann er auf dem Display das Ergebnis ablesen - und, wenn nötig, sofort entsprechende Maßnahmen ergreifen. Das EU-Projekt zur Machbarkeit des Systems läuft bis Mitte diesen Jahres.

Zur Dauerüberwachung verschiedener wichtiger Körperfunktionen vor allem von älteren Patienten, aber auch von Sportlern eignet sich das Sensorarmband, das ebenfalls am IZM entwickelt wurde. Es gleicht einer Armbanduhr aus Plastik. Anstelle eines Ziffernblatts ist das Sensorarmband mit einem leuchtenden Elektroluminiszenz-Display ausgestattet, das zu jeder Tageszeit zum Beispiel die aktuelle Körpertemperatur anzeigt. Es misst auch die Hautfeuchte, die ein Hinweis darauf sein kann, dass der Patient oder Sportler zu wenig getrunken hat. Das Patientenarmband kann auch Menschen mit Herzschrittmacher auf mögliche Gefährdungen aufmerksam machen und sie über die Stärke elektrischer oder elektromagnetischer Felder in der nächsten Umgebung informieren. Viele weitere Anwendungen sind denkbar: Auf der polytronischen Plattform können nach Bedarf verschiedenste Sensoren integriert werden.

Technisch gesehen ist das Sensorarmband eine Kombination aus Polymer- und klassischer Elektronik. Auf Folien gedruckte Leuchtelemente, Sensoren und polymere Widerstände sind hierbei mit integrierten Schaltungen aus Silizium in ein System zusammengefügt. Eine drei Mikrometer dünne Resonanzschaltung mit einer geätzten Spule, eine Art winziger Antenne, erfasst den Elektrosmog. Ein Interdigitalkondensator, auf Folie aufgebracht und nur 30 Mikrometer dick, ermittelt die Hautfeuchte. Kammartig eng ineinandergelegte Mäander aus nur 0,5 Mikrometer dünnem Kupferbahnen messen die Körpertemperatur.

"Das Sensorarmband demonstriert das Potenzial, das in der auf Folien montierten, flexiblen Elektronik steckt", erläutert Prof. Bock. Die winzigen Sensoren und die optischen Funktionen werden durch eine Kombination von drucktechnischen und lithographischen Verfahren auf die Folien aufgebracht. Das Sensorarmband ebenso wie das Diagnosegerät für tiefe Beinvenenthrombose lassen sich sowohl als Folieneinzelblätter wie auch durch Rolle-zu-Rolle-Produktion in größeren Stückzahlen kostengünstig herstellen.

11.04.2010

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