Wie Nano-Sensoren beim Behandeln helfen

Flexible und hochempfindliche Sensoren können im medizinischen Bereich Diagnostik und Behandlung mit hohem Komfort für Patientinnen und Patienten verbinden.

So bieten vor allem gedruckte, ultradünne und hochempfindliche Nanokomposit-Sensoren eine je nach Bedarf anpassungsfähige und zuverlässige Lösung gegenüber den aktuell gängigen Technologien wie Drucksensoren – eine Lösung, an der die Technische Universität Chemnitz geforscht hat und nun Ergebnisse sowie Prototypen vorgestellt.

Die Ergebnisse sind vor allem mit Blick auf die Behandlung von Patientinnen und Patienten relevant, bei denen der Blutzuckerspiegel krankhaft erhöht ist (Diabetes Mellitus).

Ziel des an der Professur für Mess- und Sensortechnik (Prof. Dr. Olfa Kanoun) der TU Chemnitz angesiedelten Projektes „High tech-Sensorik für die Herausforderung durch den demografischen Wandel in Sachsen“ (SenseCare) war die Entwicklung von Sensormatten zur Unterstützung der Betreuung von Druckgeschwüren bei Patientinnen und Patienten mit Diabetes Mellitus.

Eine besondere Neuheit dieses Projektes ist die Einbettung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT, von engl. Carbon Nanotubes) basierten Sensoren, die den Druck mit hoher Präzision messen können. Die Nutzung von CNTs zur Herstellung von Drucksensoren ist für das Gesundheitswesen und den medizinischen Bereich ein Alleinstellungsmerkmal von „SenseCare“. Ein Videoclip stellt wesentliche Aspekte dieses Projketes im Detail vor.

Prototypen verdeutlichen Einsatzbereiche – Mobiler Einsatz via App möglich

Mit ihrer eingebetteten Sensorik sind diese Sensormatten in der Lage, Veränderungen von Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit zu erfassen, wenn sie mit dem menschlichen Körper in Berührung kommen. Dafür produzierte das Projektteam ultradünne Sensoren im Mikrometer-Bereich.

Zum Vergleich: Das menschliche Haar ist zwischen 30 und 120 Mikrometer dick. Die Sensoren entwickelte das Forschungsteam auf der CNT-Basis, die wiederum auf Polymerfolien gedruckt werden. Diese Sensoren eignen sich als Hilfsmittel in der Gesundheitsversorgung und zur Überwachung von Patientinnen und Patienten mit bestimmten gesundheitlichen Problemen, zum Beispiel diabetesbedingte Geschwüre oder nicht-heilende Wunden.

Das Arbeitsprinzip der CNT-basierten Drucksensoren beruht auf der messbaren Änderung des elektrischen Widerstandes des Sensormaterials bei Änderungen von Druck, Temperatur und Feuchtigkeit.

Für den Test der Sensoren wurden zwei Prototypen entwickelt: eine Matte und eine Fußsohle. Die Matte kann zweilagig sein, sie funktioniert also beidseitig und ist in der Lage, Temperatur und Feuchtigkeit auf der einen Seite und Druck auf der anderen Seite zu erfassen.

Die Einlegesohle hingegen kann den Druck an bestimmten anatomischen Punkten, zum Beispiel Ballen und Ferse, erfassen. Diese Daten werden in Echtzeit gemessen und können über eine grafische Benutzeroberfläche angezeigt werden. Dies ist besonders von Interesse für Diabetes-mellitus-Patientinnen und -Patienten. Im Labor passiert das am Desktop, ein mobiler Einsatz über eine App ist aber denk- und umsetzbar.

Die Sensor-Einlegesohle kann bei Patientinnen und Patienten eingesetzt werden, um einen erhöhten Druck auf den Fuß zu erkennen, zum Beispiel um Verletzungen des Fußes zu vermeiden. Dazu sorgen erfahrene Anwenderinnen oder Anwender für eine gleichmäßige Druckverteilung.

Patientinnen beziehungsweise Patienten mit Diabetes mellitus erhalten über die ultradünne Schuhsohle eine Rückmeldung zur Korrektur ihres Ganges. Nach einer Miniaturisierung kann die Sensormatte im Pflegebereich zur Vorbeugung von Druckgeschwüren Bettwunden bei bettlägerigen Seniorinnen und Senioren oder Patientinnen und Patienten eingesetzt werden.

Erfolgreiche Präsentation auf Fachmesse – Mehr Behandlungs- und Lebensqualität

Auf der Leitmesse für Sensoren und Messsysteme „Sensor+Test“ im vergangenen Jahr wurde die Sensormatte bereits einem Fachpublikum vorgestellt und erhielt sehr positive Reaktionen der Teilnehmerinnen und Teilnehmer.

Die in „SenseCare“ erzielten Entwicklungen in der Sensorik haben viel Potenzial, denn der demografische Wandel und der zunehmende Anteil von Diabetes mellitus machen anwendungsfreundliche Lösungen zu einer Notwendigkeit, um mehr Behandlungs- und Lebensqualität für Betroffen, deren Angehörige und Pflegekräfte zu ermöglichen – zum Beispiel indem weitere Körperschäden vermieden werden und das Pflegepersonal entlastet wird. Die entwickelte Sensorlösung ist mit ihren extrem dünnen Sensoren kostengünstig und langlebig und damit ein Fortschritt gegenüber bestehenden Sensoriken.

Hintergrund: „SenseCare“

Das Forschungsprojekt „SenseCare“ wurde geleitet von Prof. Dr. Olfa Kanoun, Inhaberin der Professur für Mess- und Sensortechnik an der TU Chemnitz. Ein multidisziplinäres Kernteam von neun jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern arbeitete an dem Projekt. Beteiligt waren zudem die Professuren Anorganische Chemie (Prof. Dr. Heinrich Lang), Digitale Drucktechnologie und Bebilderungstechnik (Prof. Dr. Reinhard Baumann), Mikrosysteme und Medizintechnik (Prof. Dr. Jan Mehner) und Bewegungswissenschaft (Prof. Dr. Thomas L. Milani). „SenseCare“ wurde finanziert aus dem Europäischen Sozialfonds (ESF) und mit Steuermitteln des Freistaates Sachsen auf Grundlage des von den Abgeordneten des Sächsischen Landtags beschlossenen Haushaltes.

Weitere Informationen erteilt Prof. Dr.-Ing. Olfa Kanoun, Professur für Mess- und Sensortechnik, Tel. +49 (0) 371/531-36931, E-Mail: olfa.kanoun@etit.tu-chemnitz.de

https://www.youtube.com/watch?v=RsTNGB-7Hy4&feature=youtu.be