Das Gespür der Stoffe für Chemie

2. Mai 2014, 13:01
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Sensible Windeln und smarte Wundverbände sollen künftig die medizinische Diagnose erleichtern - Steirische Forscher entwickeln dazu Sensorfarbstoffe und Folien, auf denen ein ganzes Labor Platz hat

Graz - Unsere Gerätschaften zur Alltagsbewältigung erfahren seit Jahren massive Intelligenzschübe: Vom Handy über das Auto bis zum Stromnetz werden Dinge immer "smarter", um unsere eigenen eingeschränkten Möglichkeiten zu kompensieren. Nun geht auch den Textilien der Knopf auf: An der steirischen Forschungsgesellschaft Joanneum Research werden Stoffe und Verbandsmaterialien mit speziellen Sensoreigenschaften entwickelt - unter anderem "intelligente" Windeln, die durch einen deutlichen Farbwechsel anzeigen, ob und womit die Windel gefüllt ist.

Möglich wird das durch die Ankopplung von Indikatorfarbstoffen und Sensorpigmenten an die Windelfasern. Nach dem gleichen Prinzip funktionieren Sensorwaschlappen, die auf eine zu alkalische Waschlösung für empfindliche (Baby-)Haut hinweisen. Auch bei der Wundbehandlung spielt der pH-Wert eine zentrale Rolle. Steigt er über acht, stockt der Heilungsprozess, und es müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden.

Sensorwattestäbchen

Um rasch und einfach den Zustand einer Wunde zu ermitteln, haben die steirischen Forscher Sensorwattestäbchen entwickelt, die nicht nur zum Reinigen von Wunden dienen, sondern auch anzeigen, ob der pH-Wert in der Wunde über oder unter dem kritischen Punkt liegt. "Grundsätzlich können die Indikatorfarbstoffe auch in Wundverbände integriert werden, sodass ein Blick auf den Verband genügt, um den Heilungsverlauf zu prüfen", erläutert Projektleiter Gerhard Mohr.

Zurzeit arbeitet er mit seinem Forscherteam an der Entwicklung neuer Indikatorfarbstoffe, die beispielsweise Metaboliten einer bakteriellen Infektion in Wunden erkennen und durch eine Farbänderung anzeigen. Aber könnten nicht auch die mit solchen Substanzen behandelten Verbände, Wattestäbchen und Windeln selbst zur Infektionsquelle werden? "Dies wird verhindert, indem die Indikatorfarbstoffe und Sensorpigmente chemisch hochstabil an die Fasern angekoppelt werden", versichert Mohr.

Weil die entsprechende Technologie dafür allerdings erst zu entwickeln ist - gleichfalls die neuen Sensorfarbstoffe für unterschiedliche Anwendungen -, hat man bei Joanneum Research das Forschungsprojekt "SmartColourTextiles" für medizinisch-analytische Anwendungen ins Leben gerufen.

Welche Bedeutung diesem relativ jungen Forschungsfeld zugemessen wird, zeigt sich nicht zuletzt in der Aufnahme des Projekts in das neue Research-Studios-Austria-Förderprogramm des Wissenschaftsministeriums. 13 der 17 frischgebackenen Research-Studios, denen es vor allem um eine wirtschaftliche Nutzung von Erkenntnissen der Grundlagenforschung geht, werden übrigens in der Steiermark eingerichtet. Bis zu 1,3 Mio. Euro an Fördermitteln können, über vier Jahre verteilt, in ein Research-Studio fließen. Insgesamt werden 15,8 Millionen Euro investiert.

Um "intelligente" Materialien für die Medizin geht es auch in einem anderen zum Research-Studio erhobenen Projekt von Joanneum Research: Sogenannte mikrofluidische Systeme sollen für analytische Zwecke auf Kunststofffolien aufgebracht werden. Es handelt sich dabei um extrem miniaturisierte Systeme zur Bestimmung unterschiedlichster chemischer und biochemischer Parameter.

Minilabor von der Rolle

Solche "labs-on-a-chip" sind praktisch universell einsetzbar und werden künftig neben der Wasser- oder Lebensmittelanalytik auch in der medizinischen Diagnostik oder für das Patientenmonitoring genutzt werden. Allgemein bekannt sind solche Systeme etwa in Form von Schwangerschaftstests. Die Innovation der steirischen Forscher ist dabei die industrielle Rolle-zu-Rolle-Herstellung der angestrebten "lab-on-foil-chips, die sowohl einen Sensor als auch mikrofluidische Strukturen für die Probenaufbereitung und den Flüssigkeitstransport beinhalten.

"Mithilfe der in Europa einzigartigen Rolle-zu-Rolle-Pilotanlage können wir Kanalstrukturen in Mikro- und Nanometerformat in Kunststofffolien einprägen", erklärt Projektleiterin Anja Haase. Durch diese ebenso winzigen wie komplexen Kanalsysteme werden Blut-, Speichel-, Urin- oder sonstige flüssige Proben auf der Folie zu den Sensoren geleitet. Die Miniaturisierung hat zwei große Vorteile: Zum einen bekommt man bereits mit winzigen Probenmengen gute Ergebnisse, zum anderen erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit, man kommt also schneller zu einem Ergebnis.

Für die Industrie ist dieses Einweg-Minilab auf Folie vor allem wegen seiner geringen Herstellungskosten interessant: "Mit unserer Imprint-Anlage werden die Strukturen kontinuierlich in die Folie geprägt", erläutert Projektgruppenleiter Stefan Köstler. "Auf diese Weise hat man einen sehr hohen Durchsatz bei großer Genauigkeit."

Im Vergleich zu Sensortextilien erlauben die Foliensysteme auch sehr komplexe Analysen: Sie übernehmen praktisch die Aufgabe der Probenvorbereitung - beispielsweise die Abtrennung bestimmter Blutbestandteile vor der Analyse - sowie die Untersuchung selbst. Zudem können die modularen mikrofluidischen Systeme auch mehrere Stoffe gleichzeitig detektieren. Voraussetzung dafür ist die Konstruktion paralleler Kanäle, auf welche die Probe verteilt wird.

"In jedem dieser Teilkanäle erfolgt dann eine andere Analyse", erklärt Köstler. Zum Beispiel die Überprüfung eines Patienten auf antibiotikaresistente Bakterien sowie die gleichzeitige Detektion von Herzinfarktmarkern aus einem Tropfen Blut innerhalb weniger Minuten - und das alles auf einer Folie, die kaum dicker als ein Blatt Papier ist. (Doris Griesser, DER STANDARD, 30.4.2014)

  • Gerhard Mohr forscht an Textilien, die per Farbwechsel anzeigen, ob der pH-Wert zu hoch ist oder sich eine Infektion anbahnt.
    foto: joanneum research

    Gerhard Mohr forscht an Textilien, die per Farbwechsel anzeigen, ob der pH-Wert zu hoch ist oder sich eine Infektion anbahnt.

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