Um die individuelle Konstitution, Vitalität und Leistungsfähigkeit von Patientinnen und Patienten zu beurteilen und im Falle einer Verschlechterung schnell wirkungsvolle Gegenmaßnahmen einleiten zu können, braucht es sensible und permanent arbeitende Monitoringsysteme. Eine solche kontinuierliche Überwachung bieten modernste Wearable-Technologien, die nah am Körper getragen werden und eine kontinuierliche Messung von Vitalparametern sicherstellen.

Hinweise auf den Allgemeinzustand von Nutzerinnen und Nutzern kann die sogenannte interstitielle Flüssigkeit liefern. Diese zwischen den menschlichen Zellen befindliche Flüssigkeit ist ähnlich wie das menschliche Blut reich an Biomarkern. Ultradünne Nadeln aus flexiblem Polymermaterial könnten, eingebettet in sensorische Wearable-Systeme, zu einer zuverlässigen Prüfung und Verfolgung dieser biologischen Marker beitragen. Das Besondere: Ohne Blutabnahme und völlig schmerzfrei ließen sich mit ihrer Hilfe molekulare Parameter, wie beispielsweise Glukose- oder Laktose-Konzentrationen, der Trägerinnen und Träger in Echtzeit erfassen.

Um polymerbasierte Mikronadeln, die dünner als ein menschliches Haar sind, mit äußerster Präzision herzustellen, sind ausgeklügelte Produktionsverfahren notwendig: Mithilfe eines Ultrakurzpulslasers wird hierfür zunächst die zu realisierende negative Nadelstruktur auf einen waferbasierten Prägemaster aus Glas eingebracht. Unter hohem mechanischem Druck und mit hoher Temperatur wird basierend auf dem Heißprägeverfahren diese Struktur anschließend auf einem 140 Mikrometer dünnen Polymermaterial abgeformt.

»Trotz der Verwendung des flexiblen Polymersubstrats sind die so entstehenden feinen und nur einen Millimeter langen Nadeln besonders mechanisch stabil, was für den Kontakt mit der obersten Hautschicht notwendig ist. Die Nadeln von nur 300 Mikrometern Durchmesser verfügen zudem über eine hohle Mikrostruktur, über die die interstitielle Flüssigkeit mithilfe der Kapillarkraft in den Fluidkanal eingebracht und zu einem tragbaren Sensorsystem transportiert wird. Dieses ermöglicht anschließend die Auswertung der erhobenen Vitalparameter und kann Entscheidungen für eine mögliche Therapie nahelegen«, erklärt der Preisträger Tom Enderlein die Vorteile der Mikronadeln, deren Herstellungsprozess der Wissenschaftler am Fraunhofer ENAS und am Zentrum für Mikrotechnologien der Technischen Universität Chemnitz (ZfM) entwickelte.

Gemeinsam stark: EU-Projekt im Einsatz für Rettungskräfte

Der von ihm vorgestellte Ansatz zur Herstellung ultrafeinster Mikronadeln ist das Ergebnis des EU-H2020-Forschungs- und Innovationsaktionsprojektes »SIXTHSENSE« (Smart Integrated eXtreme environmenT Health monitor with Sensory feedback for ENhanced Situation awarEness), welches 2023 erfolgreich zum Abschluss gebracht werden konnte.

Mehr als 20 Partner aus ganz Europa entwickelten in diesem ein tragbares Überwachungssystem mit geschlossenem Biofeedback-Kreislauf für Ersthelferinnen und Ersthelfer, deren Gesundheitszustand und Leistungsfähigkeit während 24 Stunden dauernder Einsätze zuverlässig überwacht werden sollte. Das System ermöglicht in Echtzeit die Erkennung von Risikofaktoren, die auf eine Verschlechterung der Konstitution der Einsatzkräfte hindeuten, so dass Gegenmaßnahmen umgehend ergriffen werden können.

Über die Smart Systems Integration-Konferenz (SSI)

Um intelligente und nachhaltige Systemlösungen für gegenwärtige und zukünftige gesellschaftliche Herausforderungen zu entwickeln und zu diskutieren, bringt die SSI regelmäßig führende Expertinnen und Experten aus Forschung, Industrie und Politik zum Austausch, Netzwerken und Wissenstransfer zusammen. Die Veranstaltung wird jährlich vom Fraunhofer ENAS und der European Association on Smart Systems Integration – EPoSS in Kooperation mit Silicon Saxony organisiert.

Wissenschaftliche Veröffentlichung

Das Konferenzpaper und die Ergebnisse der Forschungsaktivitäten wurden auf der Plattform IEEE Xplore veröffentlicht:

T. Enderlein, A. Morschhauser, J. Nestler, G. Jobst, U. Stöhr, F. Selbmann, T. Otto, Hollow Microneedle Fabrication and Characterization for Interstitial Fluid Extraction in Minimally Invasive Sensors, IEEE Xplore, 2023 Smart Systems Integration Conference and Exhibition (SSI), https://doi.org/10.1109/SSI58917.2023.10387954