Die Verwendung von Geräten zur Gesundheitsüberwachung, die sowohl flexibel als auch an ihren Träger angepasst sind, hat deutlich an Bedeutung gewonnen¹. Angekurbelt durch den Bedarf an Fernbetreuung während der COVID-19-Pandemie und technologische Fortschritte bei der Sensorgenauigkeit, sind tragbare Geräte zur Gesundheitsüberwachung nun in vielen Bereichen des Gesundheitswesens allgegenwärtig. Vor allem die Entwicklung tragbarer Sensor- und Überwachungsgeräte für telemedizinische Anwendungen hat zugenommen. Die Telemedizin hat sich während der letzten Jahre rasant entwickelt – besonders während der COVID-19-Pandemie, als der Kontakt zwischen Ärzten und Patienten nicht uneingeschränkt möglich war –, mit dem Ziel, Patienten in ihren eigenen vier Wänden aus der Ferne zu überwachen, um dringend benötigte Krankenhausbetten frei zu machen. Während tragbare Technologien im klinischen Umfeld durchaus als Analyse-Instrumente eingesetzt werden können, liegt ihr vorrangiges Potenzial in der Gesundheitsfernüberwachung.

Diese tragbaren Sensorgeräte verwenden für gewöhnlich flexible Materialien, beispielsweise Polymere, Dünnfilme oder 2D- sowie andere Nanomaterialien. Geräte zur Gesundheitsüberwachung bestehen häufig aus einem flexiblen Material, das sich dem Träger anpasst und in das elektronische Bauelemente integriert sind, darunter Sensoren, eine Energiequelle (etwa eine Batterie, eine Solarzelle oder eine andere Art von Energiequelle, z. B. ein Nanogenerator), Kommunikationstechnologien für die Übertragung von Daten an ein zentrales Verarbeitungssystem und alle relevanten Schaltkreise.

Die Herstellung von elektronischen Bauelementen, die klein und flexibel genug sind, um für die Verwendung in tragbaren Technologien infrage zu kommen, ist jedoch alles andere als unkompliziert. Deshalb werden häufig verschiedene Nanomaterialien – insbesondere 2D-Materialien – zur Herstellung der Bauelemente verwendet, da sie die Anforderungen erfüllen und sich leicht integrieren lassen. Doch auch ein anderer Ansatz gewinnt mehr und mehr an Interesse: Das unmittelbare Drucken von Sensoren – den wichtigsten Aspekten eines Überwachungssystems – auf tragbare Geräte.

Diese gedruckten Sensoren werden manchmal aus 2D-Materialien und anderen Nanomaterialien hergestellt, es können aber auch andere Materialien verwendet werden. Die Möglichkeit, Sensoren auf medizinische Wearables zu drucken, könnte den Weg zu einer viel einfacheren und leichteren Kommerzialisierung von tragbaren Überwachungsgeräten ebnen – insbesondere, wenn dabei herkömmliche, kostengünstige oder einfach zu verwendende Drucktechnologien zum Einsatz kommen.

Vorteile von gedruckten Sensoren

Es gibt zwar eine Reihe fortschrittlicher Abscheidungs- und Nanobeschichtungsverfahren, mit denen Dünnfilmsensoren auf dem Substrat für tragbare Geräte – aufgrund ihrer Flexibilität und Anpassungsfähigkeit häufig ein weiches Polymer – hergestellt werden können, doch eine Reihe biomedizinischer Sensoren kann mit Siebdruckverfahren gedruckt werden. Auch andere Verfahren wie Tintenstrahl- bzw. Transferdruck sind möglich, aber der Siebdruck gilt als die beste Option für den Druck von Sensoren.

Siebdruckgeräte sind weithin verfügbar, relativ kostengünstig und einfacher zu handhaben als fortschrittlichere Abscheidungsmethoden, sodass sie einen viel besser skalierbaren und kommerziell realisierbaren Weg für den Einsatz gedruckter Sensoren in medizinischen Überwachungsgeräten bieten. Der Siebdruck kann auch mit vielen Materialien verwendet werden – von Polymerlösungen bis hin zu leitfähigen Tinten aus Nanomaterialien – und ist daher eine vielseitige Plattform für das Drucken einer Reihe von Sensoren.

Was spricht also für das Drucken von Sensoren im Gegensatz zur herkömmlichen Herstellung? Beim Siebdruck handelt es sich um eine einfache, schnelle und effiziente Drucktechnik, die in einem einzigen Druckverfahren eine Vielzahl identischer Muster erzeugen kann. Im Hinblick auf umfangreichere Maßnahmen und das Kommerzialisierungspotenzial lässt sich der Siebdruck spielend einfach und kostengünstiger als andere Methoden an die Massenproduktion anpassen.

Was die Leistungsfähigkeit anbelangt, sind mit Siebdruckverfahren hochauflösende Musterungen und großflächige Drucke möglich. Die Möglichkeit, mittels Siebdruck Material nach Bedarf an einer bestimmten Stelle abzuscheiden, verringert zudem die Abfallmengen – vor allem bei großen Stückzahlen – im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden, da alles in einem einzigen Schritt erfolgt.

Der Einsatz von Druckverfahren bietet daher eine Reihe von Vorteilen für die Herstellung. Darüber hinaus besteht eine größere Gestaltungsmöglichkeit für medizinische Wearables, da Druckverfahren die Herstellung von Sensoren ermöglichen, die nicht nur sehr dünn sind, sondern auch auf die Oberfläche des Geräts gedruckt werden können. Dieser Ansatz ist sehr viel einfacher als der Versuch, Geräte in die Materialmatrix von Wearables zu integrieren. Zudem lassen sich damit spezifischere Sensoren erzeugen, die ganz nach Bedarf gedruckt werden können, und Druckverfahren so anpassen, dass sich unterschiedliche Sensoren sehr viel leichter umsetzen lassen als mit üblichen Fertigungslinien.

Die Auswahl an Materialien, die für den Siebdruck geeignet sind, ist groß. Je nach Art des zu druckenden Sensors kann eine ganze Reihe von Materialien verwendet werden. Einerseits kann eine Reihe von Metallen zu druckbaren, leitfähigen Tinten verarbeitet werden, um den Sensor herzustellen, z. B. Gold, Kupfer, Platin, Nickel, Aluminium und Silber. Andererseits wurden neben Metallen bereits unzählige Nanoverbundmaterialien (Graphen, Kohlenstoff-Verbundröhren), funktionale Tinten aus Nanomaterialien und Silberverbundstoffe als aktive Sensorikoberfläche gedruckter tragbarer Gesundheitssensoren verwendet.

Des Weiteren benötigen die Sensoren eine Plattform, auf die sie gedruckt werden können. Dies geschieht häufig in Form eines leitfähigen Polymers, damit der Sensor besser mit der Haut und den anderen Komponenten interagieren kann, um eine höhere Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit zu erreichen. PEDOT:PSS ist die am weitesten verbreitete Polymerplattform für gedruckte Sensoren, aber auch andere Polymermaterialien wie Polyacetylen, Polypyrrol, Polyphenylen, Poly(p-phenylenvinylen) und Polythiophen-Polyanilin werden verwendet.

Gedruckte Sensoren, die sich für medizinische Überwachungsgeräte eignen

So wie viele Materialien zur Herstellung gedruckter Gesundheitssensoren verwendet werden können, werden auch viele verschiedene Arten von gedruckten Sensoren in medizinischen Überwachungsgeräten eingesetzt, z. B. Dehnungssensoren. Dehnungssensoren messen eine Form der Bewegung, und diese tragbaren Sensoren werden bei der Überwachung von humanphysiologischen Signalen und bei der Überwachung von Bewegungen in den menschlichen Gelenken eingesetzt.

Eine weitere medizinische Sonderform misst verschiedene Biomoleküle und menschliche Signale. Sensoren, die nicht auf Dehnungen basieren, erkennen das interessierende Biomolekül direkt oder durch die direkte Messung eines physiologischen Parameters, den der Patient aufweist. Durch die Molekülerfassung lassen sich zahlreiche Biomoleküle im Blut feststellen, darunter der Blutzuckerspiegel oder das Vorhandensein von Schweiß auf der Haut. Aus der Perspektive der Signalerfassung können gedruckte Sensoren nun die Atmung und den Herzschlag eines Patienten erkennen und eine Fernüberwachung des Elektrokardiogramms (EKG) ermöglichen.

Sensorarrays bilden eine weitere Kategorie gedruckter Sensoren für Wearables. In Sensorarrays arbeiten mehrere Sensoren zusammen, um komplexe Aspekte oder Auffälligkeiten zu erfassen, die einer Stimulusanalyse aus unterschiedlichen Blickwinkeln bedürfen. Sensorarrays sind hilfreich bei der Überwachung der Gangart beim Gehen, der Sitzhaltung von Rollstuhlfahrern und der Überwachung der Haut.

Fortschritte gibt es auch bei der Entwicklung von gedruckten Temperatursensoren für medizinische Wearables. Die Thermosensorik leistet einen wesentlichen Beitrag bei der Erkennung von Krankheiten, da der Körper bei Vorliegen einer Krankheit thermischen Belastungen ausgesetzt ist und der Anstieg der Haut- und der tiefen Körpertemperatur ein wichtiger Indikator für eine schwere Krankheit sein kann. Durch die Verwendung gedruckter Temperatursensoren können medizinische Wearables eine Reihe chronischer Krankheiten erfassen, darunter Herz-Kreislauf-, Diabetes-, Lungen- oder Krebserkrankungen.

Fazit

Wearables zur Gesundheitsüberwachung setzen sich als wirksames Mittel zur Fernmessung zahlreicher Gesundheitsfaktoren von Patienten immer mehr durch. Der wichtigste Aspekt dieser Wearables ist das Sensorsystem, das die Analyse am Patienten vornimmt. Damit die Patienten bereit sind, das Gerät zur Gesundheitsüberwachung über einen längeren Zeitraum zu tragen, müssen sich die Sensoren und andere Komponenten an die tragbare Komponente anpassen. Es ist zwar möglich, flexible Sensoren zu integrieren – beispielsweise durch die Verwendung dünner Nanomaterialien –, aber das Drucken von Sensoren auf die Oberfläche eines Geräts ist viel einfacher, erfordert weniger Material und ist viel besser skalierbar.

Es gibt bereits eine Vielzahl von gedruckten medizinischen Wearables (kommerziell und akademisch). Die beschriebenen Druckverfahren bieten einen Weg zu einer weiten Verbreitung von Wearables zur Gesundheitsüberwachung. Obwohl es viele Möglichkeiten gibt, ist der Siebdruck die führende Drucktechnologie, da er sehr vielseitig ist und mit vielen Materialien verwendet werden kann, um Sensoren zu erstellen, die verschiedene Aspekte der Gesundheit einer Person überwachen – von der Herzfrequenz über die Erkennung von Krankheitsrisiken bis hin zu den verschiedenen Biomolekülen im Blut und vieles mehr.

Quelle

• 1. https://www.futuremarketinsights.com/reports/wearable-medical-devices-market. Aufgerufen am 15. Juni 2023.