Elektronische Haut-Patches zur Wiederherstellung verlorener Sinnesempfindung und Erkennung von Krankheiten

Do, 29.10.2020 — Redaktion

Elektronische Haut (E-Skin) ist ein Hot-Topic. Es handelt sich um flexible, dehnbare Pflaster, die nachahmen, wie Haut aussieht und sich anfühlt und die über Sensoren Informationen über den Träger sammeln. Hier werden zwei von der EU finanzierte Projekte vorgestellt. i) Im Projekt PepZoSkin wird eine flexible, sich selbst versorgende elektronische Haut entwickelt, die auf peptidbasierten piezoelektrischen Materialien basiert und sichere tragbare und implantierbare Anwendungen verspricht. ii) Das Projekt A-Patch will über Sensoren in elektronischen Haut-Patches Krankheits-spezifische Moleküle erkennen und damit eine rasche, effiziente, einfache und kostengünstige Diagnose ermöglichen - als Beispiel wird Tuberkulose angeführt - es kommt aber auch COVID-19 in Betracht.*

Stellen Sie sich Folgendes vor: jahrelang waren Ihre Arme ab den Handgelenken gefühllos, nun legt ein Arzt eine dünne, flexible Membran über Ihre Hand und - wie durch Zauberei - können Sie nun spüren, wie Wasser durch Ihre Finger rinnt. Abbildung 1.

Abbildung 1. Forscher in Europa arbeiten an elastischen Pflastern, die nachahmen, wie Haut aussieht und sich anfühlt und über Sensoren Informationen über den Träger sammeln. (Bild: Aaron Lee/Unsplash)

Dies mag nach einem seltsamen Szenario klingen, es ist es aber nicht. In ganz Europa machen Forscher rasche Fortschritte in der Entwicklung elastischer Pflaster, d.i. von Membranen welche die menschliche Haut in Aussehen oder Funktionalität oder in beiden Charakteristika nachahmen.

Elektronische Haut (E-Skin) wird als „tragbare Elektronik“ ("electronic wearable") eingestuft, d.h. als intelligentes Gerät, das auf oder nahe der Hautoberfläche getragen wird, um Informationen über den Träger zu erfassen und zu analysieren. Ein besser bekanntes elektronisches Wearable ist der Fitness-Tracker, der üblicherweise Bewegungen oder Vibrationen erfasst, um Feedback zur Leistung eines Benutzers zu geben. Weiter entwickelte Wearables sammeln Daten zur Herzfrequenz und zum Blutdruck einer Person.

Entwickler von E-Skins setzen sich aber höhere Ziele. Sie wollen dehnbare, robuste und flexible Membranen herzustellen, die hochentwickelte Sensoren enthalten und die Fähigkeit haben sich selbst zu heilen. Die möglichen Auswirkungen auf Medizin und Robotik sind enorm.

Zentrales Nervensystem

Bereits im Umlauf sind hautähnliche Membranen, die an der Körperoberfläche haften und Druck, Belastung, Verschiebung, Kraft und Temperatur erfassen; andere Typen werden entwickelt, um biochemische Veränderungen zu erkennen, die auf eine Krankheit hinweisen. Abbildung 2.

Abbildung 2. Eine Zusammenfassung der derzeitigen Entwicklung von tragbarer Elektronik, ausgerichtet zur Erfassung und Überwachung von Informationen zur menschlichen Gesundheit. (Bild aus: Yieding Gu et al., Nanoscale Res Lett. 2019; 14: 263. doi: 10.1186/s11671-019-3084-x; von der Redn. eingefügt. Lizenz: cc-by-4.0)

Eine Reihe von Projekten beschäftigt sich mit Hautformen, die Roboter oder menschliche Prothesen einhüllen sollen und diesen Maschinen und Apparaten die Möglichkeit geben Dinge zu manipulieren und ihre Umgebung mit einem hohen Maß an taktiler Empfindlichkeit wahrzunehmen. Und der Traum ist natürlich, eine E-Skin zu entwickeln, die sich mit dem Zentralnervensystem des Trägers (zum Beispiel einer gelähmten Person) verbinden kann, um so den durch Krankheit oder Trauma erlittenen Verlust der Sinnesempfindung wiederherzustellen.

Mit ihrem Projekt PepZoSkin (Biocompatible Self-powered Electronic Skin - https://cordis.europa.eu/project/id/875586) befinden sich Forscher der Universität Tel Aviv in Israel auf einem Weg, von dem sie glauben, dass er diesen Traum irgendwann Wirklichkeit werden lässt. Innerhalb eines Jahrzehnts glauben sie, dass künstliche Hautpflaster weit genug fortgeschritten sein werden, um die Träger auf Gefahren aufmerksam zu machen, die sie auf natürliche Weise nicht wahrnehmen können.

"Ich habe einen Freund im Rollstuhl, der kein Gefühl in den Beinen hat - er hat keine Ahnung, ob heißer Kaffee auf seine Beine verschüttet wurde", meint die wissenschaftliche Mitarbeiterin Dr. Sharon Gilead. „Die Idee ist, dass ein Pflaster auf seinem Bein ein Signal gibt - vielleicht ein rotes Licht -, das ihm sagt, wenn etwas nicht stimmt und ihn so vor einer schweren Verbrennung bewahrt."

"Dies wird nur der Anfang sein. In der Weiterführung dieses Projekts wollen wir die dünne Schicht (E-Skin) dazu bringen mit dem Nervensystem zu sprechen und das fehlende Gefühl zu ersetzen. Auch wenn dies noch ein wenig weit weg liegt, ist es definitiv die Richtung in die wir uns bewegen."

Das Team in Tel Aviv entwickelt eine Haut, die Gesundheitsinformationen erfassen und analysieren soll, ohne dass dazu eine externe Stromquelle gebraucht wird. Die Membran soll als Selbst-Versorger fungieren dank eines als Piezoelektrizität bekannten Phänomens. In bestimmten Materialien (dazu gehören Knochen, DNA und bestimmte Proteine) akkumuliert elektrische Ladung als Reaktion auf mechanische Verformung. Kurz gesagt: drückt man auf eine E-Skin aus piezoelektrischem Material, selbst wenn dies sehr sanft geschieht, so wird diese eine elektrische Ladung erzeugen. Schließt man einen Stromkreis an, kann dieser Strom verwendet werden - beispielsweise, um einen Herzschrittmacher mit Strom zu versorgen.

Bei einer gelähmten Person würde das heiße verschüttete Getränk eine Verformung der E-Haut erzeugen, die von dieser als mechanischer Druck gedeutet würde, und dies würde wiederum in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Dieses Signal kann dann das Warnlicht oder einen Warnton auslösen.

Ungiftig

Derzeit besteht die Herausforderung darin, piezoelektrische Materialien zu finden, die für den Körper untoxisch sind. „Die heute verwendeten piezoelektrischen Materialien enthalten Blei und rufen schädliche Auswirkungen auf den Körper hervor. Wir konzentrieren uns auf Biomoleküle und von der Biologie inspirierte Moleküle (d.h. synthetisch hergestellte Moleküle, welche die im Körper vorkommenden nachahmen), “sagt Gal Fink, Doktorand und PepZoSkin Forscher.

Wie wichtig es ist, piezoelektrische Materialien zu finden, die zu sicheren Produkten entwickelt werden können, erklärt der Projektleiter Professor Ehud Gazit. "Unsere derzeitige Arbeit an piezoelektrischen Peptid-basierten Materialien wird sehr bald zu bleifreien Produkten führen, die wie die jetzt erhältlichen giftigen, bleigefüllten Produkte funktionieren, natürlich mit dem Unterschied, dass unsere neuen Materialien weitaus besser sein werden, weil ihre Anwendung am menschlichen Körper und sogar als Implantate sicher sein wird."

Das Team um Prof. Gazit erwartet, dass mit Anfang des kommenden Jahres das Projekt in die nächste Phase übergeht. Bis dahin hoffen sie, ihr organisches Molekül ausgewählt und für die piezoelektrische Aktivität optimiert zu haben. Sodann planen sie, das Molekül zu funktionellen Nanobausteinen zu entwickeln. Sie glauben, dass diese mit der Zeit in großem Umfang in biologischen und medizinischen Anwendungen eingesetzt und als Energy Harvester und Biosensoren dienen werden, die wichtige Informationen direkt vom menschlichen Gewebe an den Benutzer oder an einen Dritten übermittelt werden.

Krankheit

Biosensing ist auch das Kernstück von A-Patch (Autonomous Patch for Real-Time Detection of Infectious Disease - https://cordis.europa.eu/project/id/824270), einem weiteren E-Skin-Projekt. Mit ihrem Team am Israel Institute of Technology (Technion) in Haifa hat die wissenschaftliche Projektleiterin Dr. Rotem Vishinkin einen Patch entwickelt, der auf einer „verrückten Idee“ basiert, die der Projektkoordinator Professor Hossam Haick, vor fast einem Jahrzehnt hatte: nämlich, dass man Infektionskrankheiten schnell und zuverlässig über die Haut erkennen könnte.

"Wir hatten bereits einen Weg gefunden, um mithilfe der Atemanalytik zwischen Krankheiten zu unterscheiden. So dachten wir, dass es auch möglich wäre, ein Pflaster auf der Haut zu verwenden, um den Körper auf bestimmte Zustände hin zu "riechen", erklärt sie.

Vishinkin war besonders daran interessiert, einen schnellen, nicht-invasiven Weg zu finden, um auf Tuberkulose (TB) zu testen - eine hoch ansteckende Krankheit, die insbesondere in Entwicklungsländern verbreitet ist. An TB erkranken jährlich 10 Millionen Menschen und 1,4 Millionen sterben daran. Eine Früherkennung ist wichtig, da nach erfolgter Diagnose die Übertragung eingedämmt werden kann, und Antibiotika am wirksamsten sind, wenn die Infektion frisch ist.

Normalerweise wird TB aus dem Sputum diagnostiziert, das ein Patient aushustet. Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass viele Menschen nicht in der Lage sind, die Probe in einer, für ein genaues Ergebnis erforderlichern Qualität zu produzieren. Darüber hinaus kann es bis zu zwei Wochen dauern, bis ein Testergebnis geliefert wird, insbesondere in abgelegenen Gemeinden, wo Proben weite Distanzen überwinden müssen, um ein Labor zu erreichen - die Krankheit gewinnt so zusätzliche Tage oder sogar Wochen, um sich auszutoben.

A-Patch zielt darauf ab eine kostengünstige und effiziente Alternative zum Sputum-Test zu entwickeln. Das ultradünne, flexible Pflaster verwendet chemische Sensoren, um Veränderungen in (flüchtigen) organischen Verbindungen des Körpers zu detektieren, die ausgelöst werden, wenn sich das TB-Bakterium einnistet. Wie Dr. Vishinkin ausführt, werden die in Kürze veröffentlichten Forschungsergebnisse (die von der Bill and Melinda Gates Foundation finanziert werden), zeigen, dass das A-Patch - eine Stunde lang getragen - eine TB-Diagnose mit einer Genauigkeit von 90% liefert. Das Team hofft, die Tragedauer auf fünf Minuten zu reduzieren, wobei das Pflaster auf den Arm aufgebracht wird.

Ein Einweg-A-Patch wird ein bis zwei US-Dollar kosten und keine andere Laborausrüstung benötigen als ein elektronisches Lesegerät, mit dem ein Arzt das Patch aktivieren und die Ergebnisse interpretieren kann. Um das Produkt auf den Markt zu bringen erhält das Technion-Team Unterstützung von einem auf diagnostische Kits spezialisierten Industriepartner. Dr. Vishinkin ist zuversichtlich dass innerhalb der nächsten Jahren ein brauchbarer Test eingeführt wird.

"Wir schätzen, dass der vorhandene Markt für diese Kits 71 Millionen Tests pro Jahr beträgt", sagt sie. "Und da ein Pflaster zu Hause verwendet werden kann, braucht man keine, mit dem Gang eine TB-Klinik zur Testung, verbundene Stigmatisierung befürchten Dies bedeutet, dass die Menschen eher bereit sein werden, diesen Schritt zu machen.“

Die genaue Vorgangsweise in der Übertragung von Patch-Ergebnissen vom Patch zum Lesegerät wird noch ausgearbeitet. "Wir haben Partner in den Bereichen elektronische Schaltungen, Sensoren und Datenanalytik, die uns bei den einzelnen Gesichtspunkten des Projekts helfen", sagte Dr. Vishinkin.

Im Laufe der Zeit rechnet Dr. Vishinkin damit ein Pflaster für längerfristige Anwendungen zu entwickeln, beispielsweise um die Wirksamkeit eines TB-Behandlungsprotokolls über mehrere Wochen hinweg zu überwachen. Allerdings besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass ein Patch bei längerer Verwendung eingerissen oder beschädigt wird, wodurch er unwirksam wird. Um dieses Risiko zu vermindern, haben die Wissenschaftler einen Mechanismus zur Selbstreparatur von Pflastern entwickelt, der es der Matrix der Peptidbindungen in einer Membran ermöglicht, nach Erkennung von Schäden neue Netzwerke zu bilden und die Integrität der E-Haut wiederherzustellen.

"Jeder Tag bringt uns unserem Ziel näher, ein schnelles, zuverlässiges und einfaches Diagnosewerkzeug für TB zu entwickeln", sagte Dr. Vishinkin. "Und wir werden hier nicht aufhören. Was wir schaffen, ist eine Plattform zur Erkennung von Krankheiten, nicht nur ein Kit für eine bestimmte Krankheit.

Wir könnten als nächstes leicht zu Covid-19 wechseln. “

Dieser Artikel wurde ursprünglich am 28. Oktober 2020 von Vittoria D'Alessio in Horizon, the EU Research and Innovation Magazine unter dem Titel "Electronic skin patches could restore lost sensation and detect disease "publiziert. Der unter einer cc-by-Lizenz stehende Artikel wurde von der Redaktion möglichst wortgetreu aus dem Englischen übersetzt. Abbildung 2 und Beschriftung wurden von der Redaktion eingefügt.