Zeitung Heute : Unauffälliger Helfer

Dehnbare Leiterplatten überwachen Verbände und kontrollieren, ob die Niere richtig arbeitet

Katharina Jung
Immer dabei.
Immer dabei.

Klapphandys, Laptops oder Tablet-Computer sind damit ausgestattet: flexible Leiterplatten. Gemeinsam ist allen diesen Beispielen, dass die Biegung der Leiterplatte um eine Achse stattfindet. Ziel des EU-Projektes „Stella“ (stretchable electronics for large area applications) war es deshalb, eine Leiterplatte zu entwickeln, die dehnbar ist und sich so an beliebige Oberflächen anschmiegen kann. „Potentielle Anwendungen für so ein Produkt sind zahlreich", sagt Thomas Löher vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) und Projektmanager für Stella an der TU Berlin. Vor allem die Medizin könne davon profitieren. „Wenn Sensoren möglichst dicht an der Haut getragen werden müssen, zum Beispiel, um bestimmte Vitalparameter zu überwachen, ist der Einsatz dehnbarer Leiterplatten hochinteressant: Sie passen sich jeder Bewegung an, lassen sich hervorragend in Textilien integrieren, sind körpergerecht und atmungsaktiv.“

So haben die Wissenschaftler vom IZM und der TU Berlin bereits Vorläuferprodukte für eine elektronische Verbandseinlage entwickelt, die Druck und Feuchtigkeit in einem Verband messen kann. Weitere Ideen sind ein Strampelanzug, der die kontinuierliche Atembewegung erfasst und vor dem plötzlichen Kindstod warnen soll, oder eine Schuheinlage für Diabetiker, die die Druckbelastung und Abnutzung der Fußsohle misst.

Die hellbraune Folie, die Löher in der Hand hält, erinnert in Konsistenz und Haptik ein wenig an Frischhaltefolie oder an eine dünne Silikon-Badekappe. Das Trägermaterial ist allerdings thermoplastisches Polyurethan: ein Kunststoff, der in der Textilindustrie weit verbreitet ist, so zum Beispiel als atmungsaktive Membran in Regenbekleidung. Auf dieses Substrat „kleben“ die Forscher eine hauchdünne, etwa 0,2 Millimeter dünne Kupferfolie. „Um die nicht dehnbaren Kupferbahnen elastisch zu machen, ordnen wir sie mit Ätz- und Belichtungsverfahren in weiten Schleifen an“, erläutert Löher.

Die normalerweise starren Kupferleitungen können dadurch bis zu dem Dreifachen ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden. In mehreren Schritten werden die Leiterbahnen mit verschiedenen, flexiblen Schutzschichten verkapselt, sodass am Ende eine fertig vorstrukturierte, flexible Leiterplatte entsteht, auf die elektronische Komponenten aufgebracht werden können.

„Ein Knackpunkt dieser Technik liegt an dem Übergang zwischen dem dehnbaren Substrat und den starren Komponenten“, sagt der Wissenschaftler. Damit letztere nicht einfach abplatzen, wenn die Leiterplatte gedehnt wird, haben die Entwickler um die Komponenten herum sogenannte Zugsperren – feste Kupferinseln – eingebaut, die sich nicht dehnen.

Von Anfang an verwendeten die Wissenschaftler für die dehnbaren Leiterplatten so weit wie möglich Standardverfahren, um den Übergang in eine industrielle Produktion zu erleichtern. So können die Leiterplatten mit einer professionellen Textil-Laminierpresse einfach auf einen Stoff gebracht werden.

In dem Anschlussprojekt von Stella, genannt „Place-it“, arbeitet Löher mit dem Mediziner Norbert Gretz von der Universität Heidelberg zusammen. Dabei soll die Nierenfunktion von Patienten mit einem nichtinvasiven und wenig belastenden Verfahren untersucht werden.

Bei Patienten mit Diabetes oder anderen schweren Stoffwechselerkrankungen muss die Nierenfunktion regelmäßig kontrolliert werden. Dazu wird die „glomeruläre Filtrationsrate“ (GFR) bestimmt. Ein Wert, der angibt, inwieweit die Nieren ihre reinigende Filterfunktion übernehmen. Dafür gibt es zwar exakte Methoden, diese sind aber sehr aufwendig und belastend. Im Alltag werden daher nur Näherungswerte aus dem Urin bestimmt, die leicht falsch interpretiert werden können.

Gretz möchte einen fluoreszierenden Standardmarker einsetzen, den die Niere in den Urin filtert. Die Patienten werden mit einem Pflaster ausgestattet, das eine dehnbare Leiterplatte enthält, auf der – neben Steuer- und Kontrollelektronik – eine Leuchtdiode und eine Photodiode installiert sind. Die Leuchtdiode strahlt durch die Haut und regt den Marker im Blut an, zu fluoreszieren. Das Fluoreszenzsignal wiederum wird von der Photodiode gemessen. Je besser die Niere arbeitet, desto schneller wird der zuvor aufgenommene Marker ausgeschieden und desto schneller klingt die Fluoreszenz ab. Tierversuche zeigen, dass auf diese Art eine exakte Bestimmung der GFR in Echtzeit möglich ist. Katharina Jung

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