Drohnensteuerung via Sprachkanal

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.08.2018

Die Zukunft liegt in der Luft. Drohnen können schon bald Straßen entlasten, Lieferwege optimieren oder Brandbekämpfung sicherer und effizienter machen. Bis die Technologie jedoch flächendeckend kommerziell eingesetzt werden kann, müssen noch einige Herausforderungen gemeistert werden. Zum Beispiel die Frage der Kommunikation zur Steuerung und Ortung. Diese muss stabil und überall verfügbar sein, sollte möglichst günstig sein und muss auch außer Sichtweite funktionieren. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI in Berlin haben eine Lösung gefunden: Sie rufen die Drohne einfach an.

Drohnen sind eine vielversprechende Technologie. Zum Beispiel könnte mit ihnen schon in naher Zukunft der Lieferverkehr von der Straße in die Luft verlegt werden. Das würde Straßen entlasten und den CO2-Ausstoß senken. Obendrein würden die Lieferwege deutlich kürzer und Pakete könnten wesentlich schneller den Kunden erreichen. Bei der Brandbekämpfung könnten Drohnen voraus fliegen und den Feuerwehrleuten ein erstes Bild vom Einsatzort liefern. Zahlreiche weitere Einsatzszenarien sind denkbar. Doch vor dem flächendeckenden Drohneneinsatz gilt es noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Zum Beispiel eine zuverlässige Kommunikation zur Steuerung und Ortung der Drohnen. Bisher werden Drohnen oft direkt per Funk gesteuert, die begrenzte Reichweite schränkt die Einsatzmöglichkeiten jedoch deutlich ein. Das Senden und Empfangen von Informationen über Mobilfunkdatenkanäle ist eine weitere Möglichkeit. Doch auch diese weist Schwächen auf, die den flächendeckenden, zuverlässigen kommerziellen Einsatz derzeit nicht erlauben. So sind diese Kanäle nicht auf eine konstante Echtzeitverbindung, sondern für das kurzzeitige Übermitteln von Datenpaketen, beispielsweise beim Laden einer Website, ausgelegt. Die Folge: Verbindungsabbrüche. Darüber hinaus ist bei der Nutzung von Datenkanälen gerade in Städten oder bei Großveranstaltungen Überlastung ein Problem. Eine Alternative wäre die Errichtung einer eigenen Infrastruktur, über die Drohnen mit dem Controller kommunizieren. Dies ist nicht nur aufwändig und teuer, es stehen dafür auch kaum Funkressourcen zur Verfügung. Verfügbare Frequenzbereiche sind meist anfällig für Störungen und Überlastungen, sodass eine derartige Lösung weder wirtschaftlich noch sicherheitstechnisch sinnvoll ist.

Experten vom Fraunhofer HHI haben eine Lösung entwickelt, die stabil, günstig, reichweiteunabhängig und prinzipiell sofort umsetzbar ist: Die Steuerung über die Sprachkanäle des Mobilfunknetzes. »Ein großer Vorteil ist, dass Sprachkanäle im Gegensatz zu Datenverbindungen nahezu überall verfügbar und äußerst zuverlässig sind«, erklärt Tom Piechotta, Wissenschaftler beim Fraunhofer HHI. »Selbst in Gegenden, wo eine Datenverbindung nicht oder nur eingeschränkt möglich ist, ist die Netzabdeckung für Sprachkanäle meist noch gegeben.« Darüber hinaus entstehen kaum zusätzliche Kosten, da weder eine neue Infrastruktur aufgebaut werden muss, noch spezielle Verträge für priorisierte Datenverbindungen mit den Netzbetreibern geschlossen werden müssen. Alles was nötig ist, ist eine einfache Sprachverbindung, wie sie mit jeder Prepaidkarte bereitgestellt wird.

Weltweit erreichbar

Um Drohnen steuern zu können, müssen einerseits Befehle an die Drohne übermittelt, andererseits Informationen wie Position, Höhe oder Akkuzustand an den Controller am Boden übermittelt werden. »Bei den Steuerbefehlen und Ortsinformationen handelt es sich um verhältnismäßig kleine Informationsmengen, die aber zuverlässig übertragen werden müssen,« sagt Piechotta. »Wir wandeln die Befehle in Audiosignale um, ähnlich wie früher bei Modems. Diese übersetzt ein kleines Modul auf der Drohne zurück in den Steuerbefehl. Das Besondere ist, dass diese Art der Übertragung nicht nur in Echtzeit funktioniert und äußerst robust gegenüber Ausfällen und Verbindungsabbrüchen ist. Sie funktioniert auch schon heute, ohne neue Funkstandards, ohne neue Infrastruktur – und zwar weltweit.« Denn da die Übertragung über das normale Mobilfunknetz läuft, ist eine Verbindung zur Drohne an nahezu jedem Punkt der Erde möglich – quasi per Ferngespräch.

Zukunftssichere Steuerung in Echtzeit

Doch wie funktioniert die Steuerung, wenn die Drohne außer Sichtweite – vielleicht sogar am anderen Ende der Welt ist? Visualisiert wird der Standort der Drohne zum Beispiel über Online-Kartendienste wie Google Maps. Position und Höhe des Fluggeräts werden in Echtzeit übertragen und auf der Karte angezeigt. Zusätzlich können die Drohnen mit eigenen Sensoren ausgestattet werden, um spontane Hindernisse, beispielsweise andere Drohnen, Hubschrauber oder Kräne, zu erkennen und zu umfliegen. Die Steuerung erfolgt entweder manuell oder über das Senden von Wegpunkten, was besonders für Anwendungen wie die Paketzustellung interessant ist.

»Funklöchern begegnen wir mit unserem System extrem selten. Sollte ein Netz ausfallen, weicht die Verbindung auf einen anderen Mobilfunkstandard aus, zum Beispiel von LTE auf GSM oder UMTS, und sollte die Verbindung doch einmal abbrechen, ruft die Drohne innerhalb kürzester Zeit automatisch zurück«, erklärt Piechotta. »Ein weiterer Vorteil ist, dass die Technologie absolut zukunftssicher ist: Mobilfunkstandards kommen und gehen – für Sprachkanäle gilt dies nicht. Das Mobilfunknetz wird immer Sprachkanäle zur Verfügung stellen, und solange dies der Fall ist, ist das System eine zuverlässige und kostengünstige Alternative zu konventionellen Datenverbindungen.« Kurzum: Die Drohne ist ab sofort an jedem Ort und zu jeder Zeit erreichbar.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Wächter über den Augeninnendruck

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.07.2018

Schnell, einfach und unkompliziert – das Sensorsystem EYEMATE, das gemeinsam vom Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg und dem Unternehmen Implandata Ophthalmic Products GmbH (IOP) aus Hannover entwickelt wurde, stellt eine Innovation in der Augeninnendruckmessung dar. In Zukunft soll EYEMATE Glaukom-Patienten das Leben erleichtern. Das Implantat ermöglicht die optimale Therapie bei Patienten, die von der Augenkrankheit Grüner Star betroffen sind.

In unserem Auge findet ein ständiger Austausch von Kammerwasser statt – neues wird produziert und altes abgegeben. Wenn die Menge des neu produzierten Kammerwassers jedoch größer ist als die des abfließenden Wassers, steigt der Augeninnendruck und es kann zu irreversiblen Schädigungen bis hin zum Absterben des Sehnervs kommen. Man spricht dann von einem Glaukom oder Grünen Star.

Betroffene merken zu Beginn selbst meist nichts von ihrer Krankheit – erst wenn bereits so viele Sehnerven abgestorben sind, dass sich das Gesichtsfeld verkleinert, wird die Erkrankung wahrgenommen. Um die Ausbreitung des Glaukoms und die damit verbundene weitere Reduzierung des Gesichtsfelds zu verhindern, muss der Augeninnendruck wieder in den normalen Bereich gebracht und dort gehalten werden. Dies kann medikamentös, mit Augentropfen oder – bei einer weiter fortgeschrittenen Erkrankung – auch durch einen operativen Eingriff geschehen. Von entscheidender Bedeutung bei der Behandlung des Glaukoms ist in jedem Fall die Auswahl der passenden Therapie. Hierfür muss der behandelnde Arzt wissen, wie hoch der Druck im Auge ist und welchen zeitlichen Verlauf er nimmt.

Bisher gängige Messverfahren liefern jedoch nur eine geringe Datenbasis und somit keine zuverlässigen Informationen. Das Hauptproblem bisher: die Messungen werden in der Regel in der Arztpraxis durchgeführt – dadurch liegen zwischen den Messungen zu große Zeitabstände. Außerdem ist so die Wahrscheinlichkeit groß, dass schädliche hohe Werte, die im Laufe eines Tages mehrfach auftreten können, nicht erfasst werden. Die Gefahr einer falschen Therapieentscheidung steigt dadurch um ein Vielfaches.

Einfache Bedienung, genaue Ergebnisse

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Fraunhofer IMS ist es nun gelungen, eine Lösung für dieses Problem zu finden: »Gemeinsam mit dem Unternehmen IOP haben wir EYEMATE entwickelt, ein Mikrosensorsystem, mit dem Betroffene selber eine berührungslose Druckmessung im Auge durchführen können«, berichtet Michael Görtz vom Fraunhofer IMS. Ein ins Auge implantierter Sensor misst dabei den Druck sowie die Temperatur. Die Werte werden mit einem Handlesegerät, das der Patient einfach vor sein Auge hält, erfasst, digitalisiert und wiedergegeben. Innerhalb von Sekunden lassen sich so zu jeder Zeit berührungslos Druck und Temperatur im Auge genau messen. Die behandelnden Ärzte erhalten dadurch eine um ein Vielfaches höhere Datenbasis zum Erstellen der richtigen Therapie. Neben dem Ablesen und Digitalisieren der Messergebnisse ist es zusätzlich möglich, die Werte in einen Cloudspeicher zu übertragen. Der behandelnde Arzt kann so jederzeit auf die Patientendaten zugreifen, den Krankheitsverlauf überprüfen und bewerten sowie die Therapie gegebenenfalls direkt anpassen – der Patient muss dafür nicht mehr zwingend in die Praxis kommen. Darüber hinaus haben Betroffene die Möglichkeit, über eine Smartphone-App direkt auf die Daten zuzugreifen, den Verlauf des Augeninnendrucks selbst zu verfolgen und gegebenenfalls zu reagieren, wenn ein zu hoher Druck vorliegt. Je häufiger der Patient das Lesegerät benutzt, desto aussagekräftiger sind die Messwerte und desto individueller kann die Therapie abgestimmt werden.

Sensorsystem mit CE-Zulassung

Der Augeninnendrucksensor wurde vom Fraunhofer IMS in Duisburg als Halbleiterschaltung entwickelt. Dabei handelt sich um einen passiven Mikrosensor, welcher durch das Lesegerät aktiviert wird. Nachdem der Augeninnendrucksensor in einer klinischen Studie an mehreren Krankenhäusern in Deutschland erfolgreich validiert wurde, hat die Firma Implandata Mitte 2017 die CE-Zulassung für das Sensorsystem erhalten. Schon jetzt hat sich in dieser Studie gezeigt, dass durch die abgebaute Barriere die Motivation der Patienten zur regelmäßigen Messung steigt, dass aber insbesondere die Therapie durch den Augenarzt personalisiert und erforderliche Therapieanpassungen frühzeitig vorgenommen werden können. Dadurch lassen sich unwiederbringliche Sehverluste der Patienten vermeiden. »Im April 2018 hat Implandata erfolgreich eine substantielle Finanzierungsrunde abgeschlossen, um neben einer ersten gezielten Markteinführung in Deutschland/Österreich/Schweiz die Geometrie des Sensor-Implantats noch weiter zu verkleinern und noch einfachere Operationstechniken zu ermöglichen, was die Marktakzeptanz nochmals deutlich erhöhen wird«, erläutert Max Ostermeier, Geschäftsführer der Implandata Ophthalmic Products GmbH.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Multiresistente Erreger schnell identifizieren

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.06.2018

Diagnostizieren Ärzte bei einem Patienten eine Blutvergiftung, so erhält er sofort ein Breitbandantibiotikum. Doch oftmals wirkt das Medikament nicht. Multiresistente Erreger sind häufig der Grund dafür, dass eine Sepsis eskaliert und der Betroffene stirbt. Bislang dauert die Untersuchung auf Antibiotika-resistenzen mehrere Tage. Im Projekt PathoSept entwickeln Fraunhofer-Forschende gemeinsam mit Partnern ein modulares Komplettsystem, mit dem sich die Zeitspanne, um den Erreger zu identifizieren, auf neun Stunden verkürzen lässt.

Infektionen mit multiresistenten Erregern gehören laut WHO zu einer der größten Bedrohungen der Gesundheit. Vor allem in Krankenhäusern sind diese Keime auf dem Vormarsch. Eine der schwersten Infektionen ist die Blutvergiftung. In Deutschland sterben jährlich mehr als 56 000 Menschen an einer Sepsis. Wer daran erkrankt, muss so schnell wie möglich behandelt werden, jede Stunde zählt. Doch das verabreichte Breitbandantibiotikum wirkt oftmals nicht, da die Bakterien resistent gegen das ver-abreichte Medikament sind. Derzeit kann die Zeitspanne zwischen Verdachtsdiagnose und zielgerichteter Therapie bis zu fünf Tage dauern. Das Problem: Die Diagnostik von resistenten Bakterien beruht auf zeitaufwändigen Kulturverfahren, bei denen nach der Blutentnahme Bakterien vermehrt werden müssen, bevor die Analyse starten kann.

Zielgerichtete Therapie nach neun Stunden einleiten

Ein neues modulares System soll diese Dauer erheblich verkürzen. Erste erfolgreiche Tests belegen, dass Ärzte künftig bereits nach neun Stunden eine zielgerichtete Therapie einleiten können, da sich sowohl das die Infektion auslösende Bakterium sowie jenes Antibiotikum identifizieren lassen, das dagegen wirkt. Im Projekt PathoSept entwickeln Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Informationstechnik FIT gemeinsam mit Partnern einen Chip, auf dem sich das Wachstumsverhalten von Bakterien unter dem Einfluss von Antibiotika analysieren lässt. Die Besonderheit: Die Projektpartner kombinieren verschiedene Verfahren, um die Dauer der Analyse zu minimieren und gleichzeitig die Kosteneffizienz zu meistern. »Aufgrund der phänotypischen und genotypischen Variabilität ist heutzutage kein einzelnes diagnostisches Verfahren in der Lage, durchweg verlässliche Ergebnisse zu liefern«, sagt Fouad Bitti, Wissenschaftler am Fraunhofer FIT.

Das System, mit dem sich multiresistente Keime detektieren lassen, besteht aus vier Modulen: Neben einem Anzuchtmodul zur kontrollierten Vermehrung von Erregern umfasst es Protokolle zum Separieren der Erreger sowie hochsensitive Assays, mit denen die Erreger per qPCR identifiziert werden – einer Vervielfältigungsmethode für Nukleinsäuren, die auf dem Prinzip der herkömmlichen Polymerase-Kettenreaktion (PCR) basiert. Herzstück des Systems ist ein Wachstumsmonitor zur schnellen Quantifizierung der Resistenzen, eine Entwicklung des Fraunhofer FIT. Auch das Anzuchtmodul wurde von den Forschenden am FIT entwickelt.

Software-unterstützte Resistenzdiagnostik

Im Projekt PathoSept werden die Erreger im Anzuchtmodul auf eine kritische Menge vermehrt und anschließend in 96 Töpfchen mit Antibiotikum und Nährmedium gegeben. Der Wachstumsmonitor samt nötiger Analyse-Software beobachtet und dokumentiert in Echtzeit, wie sich die Erreger entwickeln. Algorithmen werten die aufgenommenen Bilder der Bakterien aus und extrapolieren die Wachstumskurve. So lässt sich bereits nach einigen Stunden ermitteln, ob das jeweils eingesetzte Medikament wirkt oder ob die Bakterien dagegen resistent sind und sich ausbreiten. Der Wachstumsmonitor berechnet mit seiner flexibel integrierbaren Software, wie sich die Erreger längerfristig entwickeln werden. Dabei analysiert das Programm sowohl die Größe des Bakterienteppichs – woraus man eins zu eins auf die Anzahl der Bakterien schließen kann – als auch das Verhältnis von lebenden zu abgetöteten Keimen. Die Forscher erhalten somit den Hinweis, welches Antibiotikum die Erreger am schnellsten abtötet, welche Konzentrationen erforderlich sind und welches Bakterium Resistenzen ausgebildet hat. »Damit ist eine gezielte Therapie möglich – ein großer Vorteil, wenn man bedenkt, dass Ärzte derzeit einen Cocktail an Antibiotika verabreichen, in der Hoffnung, dass eines davon wirkt«, so Bitti.

Das System in Form eines Benchtop-Geräts eignet sich für den Einsatz in allen medizinischen Laboren. Aufgrund seiner Standardprotokolle und -schnittstellen lässt es sich problemlos in bestehende Systeme integrieren. Der Wachstumsmonitor befindet sich zur klinischen Testung in den Unikliniken Aachen und Bonn. Nach der Evaluation wird ein erster Demonstrator konstruiert. Auch das Anzuchtmodul wird derzeit klinisch getestet. »Mit unserem modularen diagnostischen Komplettsystem werden wir künftig die Sterberate von Patienten mit einer Sepsis deutlich verringern können«, sagt Bitti.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Mathepuzzle für bessere Materialausnutzung

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.05.2018

Unternehmen, die Stahl verarbeiten, benötigen meist individuell zugeschnittene Stahlstangen, um ihre Produkte herzustellen. Stahlhändler stehen dadurch vor der Herausforderung, die kundenspezifischen Wünsche zu erfüllen und gleichzeitig möglichst wenig Schrott zu produzieren. Das heißt, sie müssen den Lagerbestand möglichst materialeffizient aufteilen. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI haben eine Software entwickelt, die dieses Problem adressiert, den anfallenden Schrott minimiert und so die Materialausnutzung optimiert.

Stahl ist ein vielseitigster Werkstoff und wird für die Herstellung unzähliger Produkte eingesetzt – vom Küchenmesser über Stahlbeton bis hin zur Flugzeugturbine und zum Ozeanriesen. Jahr für Jahr werden weit über eine Milliarde Tonnen des metallischen Werkstoffs produziert und verarbeitet. Von der Herstellung bis zum fertigen Produkt ist es jedoch eine lange Reise, bei der jährlich mehrere 100 Millionen Tonnen Schrott anfallen. So schneiden zum Beispiel Stahlhändler ihre standardisierten Stahlstangen genau auf die kundenspezifischen Längen zu – ein Vorgang, bei dem eine Menge Schrott entsteht. Die Herausforderung ist es daher, die Schnitte so zu setzen, dass aus dem Lagerbestand möglichst viele verwendbare Stangen geschnitten werden können. Frühere Lösungen für diese Herausforderung waren oft wenig befriedigend. Doch Experten des Fraunhofer SCAI in Sankt Augustin haben mit einer selbst entwickelten Software, dem »AutoBarSizer«, eine Lösung vorgelegt, die den anfallenden Schrott deutlich reduziert, eine sehr gute Materialausnutzung erbringt und dadurch die Kosten für den Stahlhändler merklich senkt.

Merkliche Effizienzsteigerung

»Unsere Software errechnet Schnittpläne, die auf den Stangen im Lager des Händlers beruhen und sowohl neue Stangen mit Standardlänge als auch die unterschiedlich langen Restbestände miteinbeziehen«, erklärt Thomas Weyd vom Fraunhofer SCAI. »In einem Pilotprojekt konnten wir so die Materialausnutzung um sieben Prozentpunkte erhöhen und den Restlagerbestand um 25 Prozent reduzieren.« Bei den großen Mengen an Stahl, die umgesetzt werden, rechnet sich diese Effizienzsteigerung schnell. Ein Beispiel: Bei einem Stahlpreis von 500 Euro pro Tonne und einem Verarbeitungsvolumen von 50 Tonnen am Tag kann der Stahlhändler bei einer Verbesserung um nur einen Prozentpunkt bereits 5000 Euro im Monat einsparen.

Die Software lässt sich genau an die jeweiligen Gegebenheiten anpassen. Dabei lassen sich nicht nur Parameter wie die Maschineneigenschaften einstellen. Auch ab wann ein Schnittrest weiterverwendet oder verschrottet werden soll, lässt sich festlegen. Darüber hinaus kann »AutoBarSizer« bei der Berechnung des optimalen Schnittplans auf die Daten des Lagers und des Restebestands zugreifen. Basierend auf diesen Faktoren kann der Verantwortliche mit dem Programm verschiedene Schnittpläne mit unterschiedlichen Schwerpunkten erstellen. Beispielsweise einen Schnittplan, bei dem möglichst wenig Schrott anfällt und einen, bei dem möglichst viele Restbestände aufgebraucht werden. Der Händler kann so wahlweise materialsparend arbeiten, das Restelager optimieren oder eine Kombination aus den verschiedenen Varianten wählen.

Algorithmisch optimierter Schnittplan

Basierend auf dem Materialbestand berechnet der Algorithmus des Fraunhofer SCAI sehr gute und häufig beweisbar optimale Ergebnisse. »Das mathematische Grundproblem ist bereits gut erforscht«, sagt Weyd vom Fraunhofer SCAI. »Die Herausforderung, die wir mit »AutoBarSizer« gelöst haben, lag in den alltäglichen Nebenbedingungen. Vor allem Gehrungsschnitte sind eine echte Herausforderung: Bei einem geraden Schnitt ist das Ganze in erster Linie eine Frage der Anordnung. Beim Gehrungsschnitt sind einige zusätzliche Parameter zu beachten.« So müssen zum Beispiel Abstände bei inkompatiblen Gehrungswinkeln mit einberechnet werden. Zusätzlich gibt es die Möglichkeit, die Stange zu drehen, die Winkel zu tauschen oder zu spiegeln. Die Software des Fraunhofer SCAI bildet diese Faktoren nicht nur mathematisch ab, sondern schlägt auch effiziente Lösungen vor, die Material, Kosten und Zeit sparen.

Mit »AutoBarSizer« haben die Experten des Fraunhofer SCAI verschiedene Fragestellungen gelöst, die bei der Planung in Walzwerken und bei Stahlhändlern, aber ebenso in der holzverarbeitenden Industrie sowie bei Herstellern und Verarbeitern von Leisten aller Art auftreten.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Biosensoren aus Graphen einfach ausdrucken

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.03.2018

Zellbasierte Biosensoren können die Wirkung verschiedener Stoffe, wie beispielsweise Medikamente, auf den menschlichen Körper im Labor nachbilden. Je nach Messprinzip kann ihre Herstellung jedoch teuer sein. Oft wird daher auf ihren Einsatz verzichtet. Kostenfaktoren bei elektrisch messenden Sensoren sind das teure Elektrodenmaterial und eine aufwändige Fertigung. Fraunhofer-Wissenschaftler stellen Biosensoren mit Graphen-Elektroden günstig und einfach im Rolle-zu-Rolle-Druck her. Ein Anlagen-Prototyp für die Massenproduktion existiert bereits.

Zellbasierte Biosensoren messen Veränderungen in Zellkulturen über elektrische Signale. Das geschieht mittels Elektroden, die innerhalb der Petrischale oder den Näpfchen einer sogenannten Wellplatte angebracht sind. Zerstören beispielsweise hinzugegebene Viren eine durchgängige Zellschicht auf den Elektroden, verringert sich der zwischen den Elektroden gemessene elektrische Widerstand. Auf diese Weise lässt sich z. B. die Wirkung von Impfstoffen oder Medikamenten testen: Je effektiver der Wirkstoff ist, desto weniger Zellen werden von den Viren zerstört und desto geringer ist die gemessene Widerstandsänderung. Auch Toxizitätstests, z. B. an Kosmetikprodukten, können nach dem gleichen Prinzip ablaufen und in Zukunft möglicherweise Tierversuche ersetzen. Ein weiterer Vorteil: Verknüpft man Biosensoren mit einer Auswerteeinheit, können Messungen kontinuierlich und automatisiert ablaufen.

Leitfähig, biokompatibel, druckbar

Doch die Herstellung der beschriebenen Biosensoren ist teuer und aufwändig: Die Elektroden bestehen aus einem bioverträglichen und elektrisch leitfähigen Material wie beispielsweise Gold oder Platin. Für die Mikroelektrodenherstellung ist ein komplizierter lithografischer Prozess notwendig. Die Folge: Die Labore kaufen diese Biosensoren wegen der hohen Kosten oftmals erst gar nicht ein, die Untersuchung der Zellkulturen erfolgt weiter händisch unter dem Mikroskop. Alternativ zu Edelmetallen kann mittlerweile aber Graphen als Werkstoff für die Elektroden verwendet werden. Die Vorteile des aus Kohlenstoffen bestehenden Materials: Es ist elektrisch leitfähig, biokompatibel und lässt sich, sofern es in Form einer Tinte vorliegt, auf Oberflächen drucken.

Eine solche Graphen-Tinte haben sich Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT aus St. Ingbert im Saarland zu Nutze gemacht. Gemeinsam mit Industriepartnern haben sie in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF geförderten M-era.Net-Projekt BIOGRAPHY einen Druckprozess entwickelt, der es ermöglicht, Biosensoren aus Graphen in großer Stückzahl im kostengünstigen Rolle-zu-Rolle-Verfahren herzustellen. »Unser Anlagen-Prototyp kann ca. 400 Biosensoren pro Minute auf eine Endlosfolie drucken«, beschreibt Dr. Thomas Velten, Abteilungsleiter Biomedizinische Mikrosysteme am IBMT und Projektleiter BIOGRAPHY, das Ergebnis der Entwicklungsarbeiten. Während Druckanlage und Graphen-Tinte von Partnern stammen, haben sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am IBMT um die Gestaltung des Druckprozesses gekümmert. »Insbesondere ist es entscheidend, Parameter wie Tintenviskosität, Druckgeschwindigkeit, Rakelanpressdruck – ein Rakel streift überschüssige Tinte ab – und Näpfchentiefe des Druckzylinders so aufeinander abzustimmen, dass die gedruckten Strukturen den Sollmaßen entsprechen«, erklärt Velten. Ein interdisziplinäres Team aus Biologen und Technikern des IBMT entwickelte zudem eine Proteintinte, die nach dem Graphen direkt auf die Elektroden gedruckt wird. Velten: »Erst durch die Proteine haften die Zellen ausreichend gut auf der Elektrodenfolie.« Ein komplizierter Vorgang: Die Oberflächenenergien von Folie und Tinte sind so aufeinander abzustimmen, dass der Transfer der Tinte vom Druckzylinder zur Folie optimal erfolgt. Besonders kritisch ist das Trocknen der gedruckten Strukturen, da die Proteine weder Lösemittel noch hohe Temperaturen vertragen. Nur der richtige Mix aus Tinteninhaltsstoffen und Trocknungsmethode gewährleistet, dass die Tinte ausreichend schnell trocknet.

Nach dem erfolgreichen Bau des Prototyps stehen jetzt die Praxistests der gedruckten Biosensoren an. Projektleiter Velten: »Wir gehen davon aus, der Industrie spätestens in einem Jahr eine universelle Technologieplattform anbieten zu können.«

Externer Link: www.fraunhofer.de