Intelligente Einwegmaterialien im Gesundheitswesen dank Drucktechnologie
Noch nie war es für Patientinnen und Patienten so einfach, mit medizinischem Fachpersonal in Verbindung zu bleiben und ihre Gesundheit aus der Ferne überwachen zu lassen. Andererseits wächst die Besorgnis über den Energieverbrauch, die Kostenineffizienz sowie die Lagerung und Abfallentsorgung von tragbaren Geräten. Auf dem Markt für in die Kleidung integrierte und tragbare Elektronik wird eine nachhaltige, kostengünstige, biologisch abbaubare und anpassungsfähige Technologie benötigt. Für flexible Elektronik wurden mehrere verschiedene Trägermaterialien vorgeschlagen. Papier bietet viele interessante Möglichkeiten für tragbare Elektronik, da es billig, nachhaltig, wegwerfbar und biokompatibel ist. Doch dieses vielversprechende Substrat befindet sich noch im Forschungsstadium. Geräte wie Sensoren, Systeme zur Energiegewinnung und -speicherung, Photodetektoren sowie Transistoren wurden bereits demonstriert. Trotz alldem gibt es noch immer keine vollständig druckbaren integrierten Systeme.
Deutlicher Wandel bei flexibler, tragbarer Elektronik
Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts WASP wurden vollständig gedruckte Sensoren entwickelt und hergestellt, die in der Lage sind, pH-Wert, Feuchtigkeit und Glukose mithilfe von Tinten auf der Basis von Graphen und anderen 2D-Materialien zu erkennen. Die Sensoren wurden in einen Nahfeldkommunikations- und Bluetooth-Transponderchip integriert und dann mit Komponenten, die per Tintenstrahldruck auf ein Papierträgermaterial gedruckt wurden, auf eine Leiterplatte geklebt. Das speziell entwickelte, integrierte System auf Papier wird im Inneren des Hygieneprodukts angebracht. Das Projektteam entwickelte eine benutzungsfreundliche App zum Lesen, Speichern und Anzeigen von Sensordaten. „Wir haben ein innovatives und wiederverwertbares elektronisches System auf Papierbasis vorgeschlagen, das auf Einwegmaterialien für die Gesundheitsfürsorge wie Erwachsenenwindeln und Binden angewendet werden soll“, sagt Gianluca Fiori, Professor für Elektronik am Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione (Abteilung für Informationstechnik) der Universität Pisa, der das Projekt koordiniert hat. „Die Technologie ist definitiv disruptiv.“ Die Projektpartner haben den drahtlosen, vollständig gedruckten Feuchtigkeitssensor erfolgreich demonstriert. Er wurde mit einer Antenne zur Funkfrequenz-Identifikation (RFID) gekoppelt, in die weitere gedruckte Sensoren wie Dehnungs- und pH-Sensoren aus Graphen erfolgreich integriert wurden. Die Teammitglieder entwarfen auch geeignete Tinten für die gedruckten Sensoren. Diese eignen sich zur Kopplung mit einem RFID-Tag, um das Signal drahtlos an tragbare Geräte übertragen zu können.
Auf der Suche nach sauberer, grüner Elektronik
Jedes Jahr produziert die europäische Bevölkerung 10 kg Elektro- und Elektronikschrott pro Person. Alle in WASP verwendeten Materialien wurden unter Berücksichtigung ihrer Umweltauswirkungen ausgewählt. Die Geräte wurden mit Papiersubstrat-kompatiblen Standard-Drucktechniken bei niedrigen Temperaturen montiert. Sie verbrauchen weniger Energie als die herkömmliche Vakuumtechnik. Die gedruckten Systeme für die tragbare Gesundheitsüberwachung wurden im Zuge der Erforschung eines breiten Spektrums an druckbaren Materialien hergestellt, von 2D-Kristallen bis hin zu organischen Materialien. „Die Technologie basiert auf einem umweltfreundlichen Verfahren und ist auf die Bedürfnisse einer zukünftigen Kreislaufwirtschaft sowie einer kostengünstigen, flexiblen und leichten multifunktionalen Elektronik ausgerichtet“, erklärt Fiori. Das Projekt ist ein Beitrag zum Programm „Hin zu einer Kreislaufwirtschaft: Ein Null-Abfallprogramm für Europa“ der Kommission. „Die WASP-Technologie kann ungeahnte Möglichkeiten auf dem Markt für flexible Elektronik sowie eine breite Palette von Anwendungen erschließen", schließt Fiori. Die Innovationen könnten sich auch außerhalb der Gesundheitsbranche als nützlich erweisen. Ein nennenswertes Beispiel ist die intelligente Kennzeichnung von Lebensmitteln und Getränken.
Schlüsselbegriffe
WASP, Elektronik, Sensor, Papier, tragbare Elektronik, Substrat, Gesundheitswesen
