Intelligente Pillen aus Zahnpasta und Honig
Technologien, die geschluckt oder in den Körper implantiert werden können, liefern der Medizin Echtzeitdaten zu pH-Wert, Körpertemperatur und anderen physiologischen Parametern und ermöglichen zudem gezielte Behandlungen, die den Bedarf an Operationen und anderen invasiven Eingriffen verringern. Allerdings stellen gefährliche Stoffe in diesen Geräten bei ihrer Entsorgung eine Gefahr für die Umwelt und für die Patientinnen und Patienten selbst dar. „Die Verabreichung der meisten derzeitigen verschluckbaren Geräte muss aus Sicherheitsgründen überwacht werden, was dazu führt, dass Chancen für groß angelegte Gesundheitsvorsorgeprogramme verpasst werden“, so Mario Caironi, Koordinator des Projekts ELFO(öffnet in neuem Fenster), das vom Europäischen Forschungsrat, ERC(öffnet in neuem Fenster) gefördert wurde. Caironi und sein Team vom Labor für gedruckte und molekulare Elektronik(öffnet in neuem Fenster) am Italienischen Institut für Technologie entwickeln essbare Elektronik, die aus Lebensmitteln, Lebensmittelzutaten und -zusatzstoffen sowie ungiftigen Werkstoffen hergestellt werden. „Nachdem sie ihre Funktion erfüllt haben, können diese elektronischen Bauteile auf natürliche Weise verdaut oder sogar verstoffwechselt werden, ohne dass Elektroschrott entsteht“, erklärt Caironi weiter.
Entwicklung essbarer Prototypen
Im Rahmen des ELFO-Projekts wurden die Komponenten entwickelt, die für die Herstellung von zwei Konzeptprodukten benötigt werden: eine „Smart Pill“ zur Überwachung der Magen-Darm-Gesundheit sowie ein Hochfrequenzsensor zur Überwachung der Sicherheit und Qualität von Lebensmitteln. Der erste Schritt des Teams bestand darin, eine Bibliothek mit in Frage kommenden Materialien aufzubauen, die nützliche elektronische Eigenschaften aufweisen und im Körper leicht verarbeitet werden können, wobei Vorschriften von Behörden wie der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit(öffnet in neuem Fenster) und der US-amerikanischen Lebensmittel- und Arzneimittelbehörde(öffnet in neuem Fenster) als Leitlinien dienten. Werkstoffe, die als Leiter, Isolatoren und Isolierstoffe fungieren konnten, wurden optimiert und in simulierten Magen- und Darmflüssigkeiten getestet, um sicherzustellen, dass diese Eigenschaften im Körper erhalten blieben. „Es war sehr aufregend zu sehen, wie unerwartet gut einige exotische Materialien funktionierten. Wie sich herausstellt, eignet sich Honig hervorragend als Gate-Material für Transistoren, und das Pigment in Zahnpasta ist ein ausgezeichneter, stabiler Halbleiter“, merkt Caironi an.
Herstellung essbarer „Smart Pills“ und Lebensmittelsensoren
Der nächste Schritt bestand darin, zu zeigen, wie diese Werkstoff mithilfe von Niedertemperatur-Verfahren auf Flüssigkeitsbasis – wie dem Tintenstrahldruck – in elektronische Bauteile wie Schaltkreise, Sensoren und Stromversorgungen integriert werden können. Das Team stellte dünne halbleitende Schichten auf Basis von Beta-Carotin (dem orangefarbenen Pigment in Möhren) sowie ionenleitende Dielektrika aus Honig und aus Schalentieren gewonnenem Chitosan her. Sensoren wurden aus Wasser, Salz, ungiftigen Metallen (wie Blattgold) sowie Rotkohlsaft hergestellt. Im Rahmen des Projekts wurde außerdem die weltweit erste essbare wiederaufladbare Batterie entwickelt, die auf Riboflavin, Quercetin (einem gelben Pigment, das in Zwiebeln vorkommt), Nori-Algen, Aktivkohle, essbarem Gold sowie Salzwasser basiert. Die essbare Batterie, die vom „TIME“-Magazin unter die besten Erfindungen des Jahres 2023(öffnet in neuem Fenster) nominiert wurde, ermöglicht es intelligenten Pillen, sich über ein Energy-Harvesting-Modul selbst aufzuladen. „Wir haben die essbare Batterie so weit entwickelt, dass sie die meisten verschluckbaren Geräte mit Strom versorgen kann“, fügt Caironi hinzu, „während der Lebensmittelsensor erfassen kann, wenn Lebensmittel aufgetaut und anschließend wieder eingefroren wurden, was darauf hinweist, dass sie für den Verzehr nicht mehr sicher sind.“
Auf dem Weg zu einem Konzeptnachweis für zukünftige Anwendungen
ELFO trägt zu einer Reihe wichtiger politischer Ziele der EU bei, von personalisierter Medizin zur Unterstützung maßgeschneiderter Präventions- und Behandlungsstrategien(öffnet in neuem Fenster) bis hin zu Innovationen im Bereich fortschrittlicher Materialien, die eine Reihe zukünftiger Möglichkeiten eröffnen können, wie beispielsweise Sensoren im Internet der Dinge zur Überwachung der Medikamenteneinnahme. Das Team hat Patente für die leitfähige Oleogelpaste des Projekts angemeldet, sowie für eine Methode zur Datenübertragung unter Verwendung der natürlichen Leitfähigkeit des Körpers, die die Grundlage für das nachfolgende, vom Europäischen Forschungsrat unterstützte Projekt EAT bilden wird. „EAT zielt darauf ab, die erste vollständig essbare Pille zur Messung der Magenentleerungszeit zu entwickeln, die für die Ernährungswissenschaft bei der Erforschung des Sättigungsgefühls von Bedeutung ist. Wir wollen diese essbare Pille zu einer Plattform machen, in die künftig weitere Sensoren für andere Anwendungen integriert werden können“, so Caironi zusammenfassend.
