Sensor+Test 2019

•••2••• Innovationen Sensor+Test: Sanftere künstliche Beatmung Wissenschaftler entwickeln mitdenkendes Gerät, das Lungenschädigungen vermeidet K ünstliche Beatmung ist häufig das letzte Mittel, um ein Le- ben zu retten. Leider geht sie oft mit akuten oder chronischen Lun- genschädigungen einher – beson- ders, wenn das Beatmungsgerät gegen den Patienten arbeitet. Forscher der Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie (PAMB) ent- wickeln derzeit ein schonende- res Verfahren – zu sehen auf der Sensor+Test in Halle 5, Stand 248 beim Fraunhofer-Institut für Pro- duktionstechnik und Automatisie- rung (IPA). In der intensivmedizinischen Pfle- ge von Frühchen ist die künstliche Beatmung aufgrund unterentwi- ckelter Lungen in einigen Fällen notwendig. Dabei können ver- schiedene Komplikationen auf- treten: Ein Volutrauma entsteht, wenn das Beatmungsgerät zu viel Luft in die kleine Lunge presst. Zu einem Barotrauma kommt es, wenn der Apparat Luft mit zu ho- hem Druck einleitet, besonders wenn das Frühchen eigentlich ge- rade ausatmen möchte. Um bei- des zu vermeiden, haben sich Ärz- te bisher mit einer Röhre durch Mund oder Nase beholfen, durch die beatmet wird. Sie lässt Platz in der Luftröhre, damit überschüssi- ge Luft entweichen kann. Leider ist das nicht immer besonders schonend und auf die sich schnell ändernden Bedürfnisse der klei- nen Patienten können Ärzte nur manuell reagieren. Ein automa- tisch regelbares Beatmungssys- tem wäre wünschenswert. Jan Ringkamp und seine Kollegen von der PAMB arbeiten deshalb an einem sanfteren Verfahren. Thorax-Monitoring heißt der klei- ne Apparat, den die Forscher ent- wickelt haben. „Im Prinzip ist das ein Messgerät, das erkennt, ob ein künstlich beatmeter Patient gera- de ein- oder ausatmen möchte“, erklärt Ringkamp. „Damit ist ein Beatmungsgerät in der Lage, sich ohne Verzögerung an die Wün- sche des Patienten anzupassen.“ Das Thorax-Monitoring verwen- det zwei Antennen, die auf dem Brustkorb des Patienten ange- bracht sind. Die eine sendet eine elektromagnetische Welle aus, die andere empfängt sie. Dabei machen es sich die Wissenschaft- ler zunutze, dass Muskeln, Fett und Gewebe andere dielektri- sche Eigenschaften besitzen als die Atemluft in der Lunge. Beim Einatmen füllen sich die Lungen- flügel mit Luft und dehnen sich aus. Der veränderte Luftanteil im Thorax führt dazu, dass die elek- tromagnetische Welle schnell vo- rankommt. Beim Ausatmen ist es umgekehrt: Die Lungenflügel fal- len in sich zusammen, die elektro- magnetische Welle kommt im Ge- webe langsamer vorwärts. Es gibt also einen deutlich mess- baren Unterschied zwischen Ein- und Ausatmen, den das Thorax- Monitoring registriert. „Selbst wenn sich die Lunge nur minimal ausdehnt oder zusammenzieht, hat das Auswirkungen auf den Si- gnalverlauf. An Mäusen mit einem Lungenvolumen unter einem Mil- liliter haben wir bereits sehr gute Ergebnisse erzielt“, erklärt Ring- kamp. „Thorax-Monitoring er- kennt also sozusagen den Wunsch des Patienten und kann das Beat- mungsgerät anweisen, ihn dabei zu unterstützen.“ Einen frühen Prototyp haben die Wissenschaft- ler bereits getestet. Prototyp des Thorax-Monitoring Foto: Fraunhofer IPA Producing sensors with an inkjet printer Microelectrode arrays (MEAs) can be printed on gelatin and other soft materials for monitoring nerve or heart functions Researchers from TUM and Forschungszentrum Jülich have successfully performed inkjet printing onto a gummy bear. What sounds like scientists at play may lead to major changes in medical diagnostics. For one thing, it was not an image or a logo that Profes- sor Bernhard Wolfrum’s team de- posited on the chewy candy, but a microelectrode array. These com- ponents, comprised of a large number of electrodes, can detect voltage changes resulting from ac- tivity in neurons or muscle cells. Second, gummy bears have a property that is important when using microelectrode arrays in liv- ing cells: they are soft. Microelec- trode arrays have been around for a long time. In their original form, they consist of hard materials such as silicon. This results in several disadvantages when they come into contact with living cells. In the laboratory, their hardness af- fects the shape and organization of the cells. And inside the body, the hard materials can trigger in- flammation or the loss of organ functionalities. When electrode arrays are placed on soft materials, these problems are avoided. This has sparked in- tensive research into these solu- tions. Until now, most initiatives have used traditional methods, which are time-consuming and re- quire access to expensive special- ized laboratories. “If you instead print the electrodes, you can pro- duce a prototype relatively quickly and cheaply. The same applies if you need to rework it,” says Bern- hard Wolfrum, Professor of Neu- roelectronics at TUM. Wolfrum’s team works with a high-tech inkjet printer. The elec- trodes themselves are printed with carbon-based ink. To prevent the sensors from picking up stray signals, a neutral protective layer is then added to the carbon paths. The researchers tested the pro- cess on various substrates, such as PDMS (polydimethylsiloxane), a soft form of silicon, and various forms of gelatin, including a gum- my bear that was first melted and then allowed to harden. Each of these materials has specific prop- erties. For example, gelatin-coat- ed implants can reduce unwanted reactions in living tissue. Through experiments with cell cultures, the team was able to confirm that the sensors provide reliable measurements. With an average width of 30 micrometres, they also permit measurements on a single cell or just a few cells. This is difficult to achieve with es- tablished printing methods. “The difficulty is in fine-tuning all of the components – both the technical set-up of the printer and the com- position of the ink,” says Nouran Adly. “In the case of PDMS, for ex- ample, we had to use a pre-treat- ment we developed just to get the ink to adhere to the surface.” Printed microelectrode arrays on soft materials are suitable not only for rapid prototyping in research, but could also be used “to moni- tor nerve or heart functions in the body or even serve as a pacemak- er,” says Prof. Wolfrum. Sensors printed on rubber candies Photo: Nouran Adly / TUM Continued from page 1