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Sensorik Ein Mikrofaser-Sensor, so dünn wie ein Haar

Redakteur: Sebastian Gerstl

Ein Forschungsteam der National University of Singapore (NUS) hat einen weichen, flexiblen und dehnbaren Mikrofaser-Sensor für die Echtzeitüberwachung und Diagnose im Gesundheitswesen entwickelt. Der hochempfindliche, ultradünne Sensor ist gerade einmal so breit wie eine menschlichen Haarsträhne. Auch die Massenproduktion ist einfach und kostengünstig.

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Der an der NUS (National University of Singapore) entwickelte neuartige Mikrofaser-Sensor, der wie ein leitfähiger Faden funktioniert, ist hochempfindlich und ultradünn. Der Sensor besitzt gerade einmal den Durchmesser einer menschlichen Haarsträhne. Entworfen, um haltbar und waschbar zu sein, bietet diese Erfindung vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der tragbaren Elektronik.
Der an der NUS (National University of Singapore) entwickelte neuartige Mikrofaser-Sensor, der wie ein leitfähiger Faden funktioniert, ist hochempfindlich und ultradünn. Der Sensor besitzt gerade einmal den Durchmesser einer menschlichen Haarsträhne. Entworfen, um haltbar und waschbar zu sein, bietet diese Erfindung vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der tragbaren Elektronik.
(Bild: National University of Singapore)

Tragbare und flexible Technologie hat in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Der zunehmende Bedarf an Wearables hat zu enormen Fortschritten bei weichen und tragbaren Sensoren geführt.

Gleichzeitig werden zunehmend mikrofluidische Geräte mit leitfähigen Flüssigmetallen als verschleißfeste Druck- und Dehnungssensoren eingesetzt. Allerdings haben aktuelle Geräte verschiedene Einschränkungen - zum Beispiel können sie nicht gut auf der Haut sitzen oder sind unangenehm zu tragen.

"Unser neuartiger Mikrofaser-Sensor ist kaum spürbar und passt sich hervorragend an die Krümmungen der Haut an. Der Sensor ist trotz seiner Weichheit und seiner geringen Größe sehr empfindlich, besitzt eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit und mechanische Verformbarkeit. Wir haben den Sensor zur Echtzeit-Überwachung der Puls-Wellenform und des Bandage-Drucks eingesetzt", sagte Professor Lim Chwee Teck vom Department of Biomedical Engineering der NUS-Fakultät für Ingenieurwissenschaften, dem Leiter des Forschungsteams. "Die Ergebnisse sind sehr vielversprechend."

Echtzeitüberwachung der Puls-Wellenform

Der intelligente Mikrofasersensor, der vom NUS Engineering-Team entwickelt wurde, besteht aus einer flüssigen metallischen Legierung, die als Sensorelement dient und in einem weichen Silikon-Mikroschlauch eingebettet ist. Der Sensor misst in Echtzeit die Pulswellenform eines Individuums und die Informationen können zur Bestimmung von Herzfrequenz, Blutdruck und Steifigkeit in den Blutgefäßen verwendet werden.

"Derzeit überwachen Ärzte Vitalparameter wie Herzfrequenz und Blutdruck, wenn Patienten Kliniken besuchen. Dies erfordert mehrere Geräte wie Herzfrequenz- und Blutdruckmessgeräte, die oft sperrig sind und keine sofortige Rückmeldung liefern. Da unser Sensor wie ein leitfähiger Faden funktioniert, kann er leicht in einen Handschuh eingewebt werden, der von Ärzten getragen werden kann, um die Vitalparameter von Patienten in Echtzeit zu verfolgen. Dieser Ansatz bietet Komfort und spart Zeit für das Personal im Gesundheitswesen, während die Patienten mehr Komfort genießen können", fügte Prof. Lim hinzu.

Der Mikrofasersensor könnte auch für Patienten mit Atherosklerose, d. h. einer Verdickung und Versteifung der Arterien durch die Ansammlung von Fettstreifen, von Vorteil sein. Im Laufe der Zeit sammeln sich diese Schlieren zu Plaques an, die den Blutfluss vollständig blockieren oder auseinander brechen können, was zu Organversagen führt oder einen Herzinfarkt oder Schlaganfall auslösen kann.

Bestehende Methoden zur Erkennung von Plaque in Blutgefäßen - wie z. B. Computertomographie und Magnetresonanztomographie - würden teure und sperrige Geräte erfordern. Solche Tests müssen in Krankenhäusern von medizinischem Fachpersonal durchgeführt werden.

Da Plaque die Steifigkeit des Blutgefäßes und damit die Puls-Wellenform verändert, könnte der neuartige Sensor des NUS Engineering-Teams leicht dazu verwendet werden, Anhäufingen von Plaque rechtzeitig zu erkennen. So können frühzeitig Maßnahmen ergriffen werden, ehe sich eine Größe anreichert, die groß genug ist, um das Blutgefäß zu blockieren oder zu brechen.

Bandage-Drucküberwachung

Zur Überwachung von Herzfrequenz und Blutdruck kann der Sensor beispielsweise in einen Handschuh eingewebt werden.
Zur Überwachung von Herzfrequenz und Blutdruck kann der Sensor beispielsweise in einen Handschuh eingewebt werden.
(Bild: National University of Singapore)

Eine weitere klinische Anwendung des intelligenten Mikrofasersensors ist das Management von venösen Ulzera (Geschwüren), die durch eine schlechte Durchblutung hervorgerufen werden. Sie treten auf, wenn die Venen in den Beinen das Blut nicht so gut an das Herz zurückdrängen konnten, wie sie sollten. Da Blut in den Venen schwimmt, erhöht sich der Druck in den Venen, was im Laufe der Zeit zu fortschreitenden Hautschäden führt.

Die Kompressionstherapie ist eine gängige Therapie des venösen Ulkus. Je nach Schwere der Ulzerationen müssen Verbände mit unterschiedlichem Druck monatelang bis zu einem Jahr lang auf die Beine der Patienten angelegt werden. Wenn der Verband zu fest anliegt, kann es zu Gewebeschäden kommen, aber wenn der Verband zu locker ist, kann die Heilung unwirksam werden. Derzeit wird der Druck im Verband am Aufbringungsort aufgrund von Ausbildung und Erfahrung eher geschätzt.

Da sich der Druck durch den Verband im Laufe der Zeit aufgrund von Bewegungen des Patienten verändern kann, ist eine genaue und kontinuierliche Messung des Bindendrucks in Echtzeit wichtig, um eine effektive Heilung zu gewährleisten.

Der ultradünne und hochflexible Mikrofaser-Sensor des NUS Engineering-Teams kann problemlos in Verbände eingewebt werden, um den Druck zu überwachen, der abgegeben und aufrechterhalten wird. Dies könnte die Effektivität der Behandlung verbessern und die Heilungszeit verkürzen. In Zukunft könnten die Patienten auch den Verbandüberdruck mit einer App verfolgen und die Informationen an Ärzte weitergeben, die den Fortschritt der Behandlung aus der Ferne überwachen könnten.

"Unser Mikrofaser-Sensor ist vielseitig einsetzbar und kann für eine Vielzahl von Anwendungen, wie z. B. Überwachung im Gesundheitswesen, intelligente medizinische Prothesen und künstliche Felle, eingesetzt werden. Unsere neuartige Erfindung, die auf Langlebigkeit und Waschbarkeit ausgelegt ist, ist sehr attraktiv für vielversprechende Anwendungen im aufstrebenden Bereich der Wearable Electronics", so Prof. Lim.

Das Team hat ein Patent für seinen intelligenten Mikrofaser-Sensor angemeldet. Die Forscher arbeiten derzeit daran, das Sensordesign zu verfeinern und das Zubehör zu verkleinern, um die Benutzerfreundlichkeit des Geräts zu verbessern. Das NUS-Team hatte kürzlich den "Most Innovative Award" beim globalen Wettbewerb für medizinische Innovationen in Taipeh im September 2017 gewonnen.

Während die NUS-Forscher weiterhin neue Anwendungen des Mikrofaser-Sensors erforschen, sind sie auch daran interessiert, mit kommerziellen Partnern zusammenzuarbeiten, um ihren neuartigen Sensor auf den Markt zu bringen.

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal Elektronikpraxis.de.

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