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Hautverletzungen durch anhaltenden Druck entstehen häufig bei Menschen, die ihre Position nicht selbstständig verändern können – etwa erkrankte Neugeborene im Spital oder ältere Menschen. Empa-Forschende bringen jetzt dank erfolgreicher Partnerschaften mit Industrie und Forschung zwei smarte Lösungen für das Wundliegen auf den Weg.

Lastet längere Zeit zu viel Druck auf unserer Haut, nimmt sie Schaden. Zu den Bevölkerungsgruppen, die einem hohen Risiko für derartige Druckverletzungen ausgesetzt sind, gehören beispielsweise Menschen im Rollstuhl, Neugeborene auf der Intensivstation oder Betagte. Die Folgen sind Wunden, Infektionen und Schmerzen.

Die Behandlung ist aufwändig und teuer: Jährlich entstehen Gesundheitskosten von rund 300 Millionen Schweizer Franken. "Darüber hinaus können bestehende Erkrankungen durch derartige Druckverletzungen verschlimmert werden", sagt Empa-Forscher Simon Annaheim vom "Biomimetic Membranes and Textiles"-Labor in St. Gallen. Nachhaltiger wäre es, so Annaheim, den Gewebeschäden vorzubeugen, um sie gar nicht erst entstehen zu lassen. Zwei aktuelle Forschungsprojekte unter Beteiligung der Empa bringen nun entsprechende Lösungen voran: Entwickelt wird hierbei eine Druck-ausgleichende Matratze für Neugeborene auf der Intensivstation und ein textiles Sensorsystem für querschnittsgelähmte Personen und bettlägerige Menschen.

Optimal gebettet am Start des Lebens
Dabei sind die Ansprüche der Haut je nach Alter völlig unterschiedlich: Bei Erwachsenen stehen die Reibung der Haut auf der Liegefläche, physikalische Scherkräfte im Gewebe und eine fehlende Atmungsaktivität von Textilien als Risikofaktoren im Vordergrund. Die Haut von Neugeborenen, die intensivmedizinisch behandelt werden, ist dagegen per se äusserst empfindlich, jeder Flüssigkeits- und Wärmeverlust über die Haut kann zum Problem werden. "Während diese besonders verletzlichen Babys gesundgepflegt werden, sollte die Liegesituation keine zusätzlichen Komplikationen hervorrufen", so Empa-Forscher Annaheim. Dass herkömmliche Matratzen die Lösung für Neugeborene mit ganz unterschiedlichem Gewicht und verschiedenen Erkrankungen sein können, glaubt er nicht. Das Team um Annaheim sucht daher mit Forschenden der ETH Zürich, der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) und des Universitäts-Kinderspital Zürich nach einer optimalen Liegefläche für die zarte Kinderhaut. Diese Matratze müsste sich individuell an den Körper anpassen können, um Kindern bei einem schwierigen Start ins Leben helfen zu können.

Hierzu ermittelten die Forschenden zunächst die Druckverhältnisse an den verschiedenen Körperregionen von Neugeborenen. "Unsere Drucksensoren haben gezeigt, dass Kopf, Schultern und untere Wirbelsäule die Zonen mit dem grössten Risiko für Druckstellen sind", sagt Annaheim. Diese Ergebnisse flossen in die Entwicklung einer luftgefüllten Matratze der besonderen Art ein: Ihre drei Kammern können mit Hilfe von Drucksensoren und einem Mikroprozessor über eine elektronische Pumpe präzise so befüllt werden, dass der Druck an den jeweiligen Stellen minimiert wird. Eine an der Empa entwickeltes Infrarot-Laser-Verfahren erlaubte es dabei die Matratze aus einer flexiblen, mehrschichtigen und hautschonenden Polymermembran ohne störende Kanten zu erzeugen.

Nach einem mehrstufigen Entwicklungsprozess im Labor durften erste kleine Patientinnen und Patienten auf dem Prototyp der Matratze liegen. Der Effekt machte sich sofort bemerkbar, als die Forschenden die Matratze je nach den individuellen Bedürfnissen der Babys unterschiedlich stark mit Luft füllten: Gegenüber einer herkömmlichen Schaumstoffmatratze reduzierte der Prototyp den Druck auf die gefährdeten Körperstellen um bis zu 40 Prozent.

Nach dieser erfolgreichen Pilotstudie wird der Prototyp in den Empa-Labors nun weiter optimiert. Demnächst starten Simon Annaheim und Doktorand Tino Jucker eine grösser angelegte Studie mit der neuen Matratze mit der Abteilung für Intensivmedizin & Neonatologie am Kinderspital Zürich.

Intelligente Sensoren beugen vor
In einem weiteren Projekt arbeiten Empa-Forschende daran, den sogenannten Dekubitus-Gewebeschäden bei Erwachsenen vorzubeugen. Hierbei werden die Risikofaktoren Druckbelastung und Durchblutungsstörung in hilfreiche Warnsignale umgewandelt.

Liegt man längere Zeit in der gleichen Position, führen Druck und Durchblutungsstörungen zu einer Unterversorgung des Gewebes mit Sauerstoff. Während der Sauerstoffmangel bei gesunden Menschen einen Reflex ausgelöst, sich zu bewegen, kann dieser neurologische Feedback-Loop etwa bei Menschen mit Querschnittslähmung oder bei Koma-Patienten gestört sein. Hier können smarte Sensoren helfen, frühzeitig vor dem Risiko eines Gewebeschadens zu warnen.

Im Projekt "ProTex" hat ein Team aus Forschenden der Empa, der Universität Bern, der Fachhochschule OST und der Bischoff Textil AG in St. Gallen ein Sensorsystem aus smarten Textilien mit zugehöriger Datenanalyse in Echtzeit entwickelt. "Die hautverträglichen textilen Sensoren enthalten zwei verschiedene funktionelle Polymerfasern», sagt Empa-Forscher Luciano Boesel vom "Biomimetic Membranes and Textiles"-Labor in St. Gallen. Neben Druck-sensitiven Fasern integrierten die Forschenden lichtleitende Polymerfasern (POFs), die der Sauerstoffmessung dienen. "Sobald der Sauerstoffgehalt in der Haut abfällt, signalisiert das hochempfindliche Sensorsystem ein steigendes Risiko für Gewebeschäden", erklärt Boesel. Die Daten werden dann direkt an den Patienten oder das Pflegepersonal übermittelt. So könne etwa eine liegende Person rechtzeitig umgelagert werden, bevor das Gewebe Schaden nimmt.

Patentierte Technologie
Die Technologie dahinter beinhaltet auch ein an der Empa entwickeltes neuartiges Mikrofluidik-Nassspinnverfahren für die Herstellung von POFs. Es erlaubt eine präzise Steuerung der Polymerkomponenten im Mikrometerbereich und eine sanftere, umweltfreundlichere Verarbeitung der Fasern. Das Mikrofluidik-Verfahren ist eines von drei Patenten, die bisher aus dem "ProTex"-Projekt hervorgegangen sind.

Ein weiteres Produkt ist ein atmungsaktiver Textilsensor, der direkt auf der Haut getragen wird. Das 2023 aus dem Projekt entstandene Spin-off "Sensawear" in Bern treibt derzeit die Markteinführung voran. Darüber hinaus ist Empa-Forscher Boesel überzeugt: "Die Erkenntnisse und Technologien aus "ProTex" werden künftig weitere Anwendungen im Bereich der tragbaren Sensorik und der smarten Kleidung ermöglichen."

Während einer Schwangerschaft geben regelmäßige Medizinchecks Auskunft über die Gesundheit und Entwicklung der Schwangeren und des Kindes. Doch die Untersuchungen bieten nur Momentaufnahmen des Zustands, was vor allem im Risikofällen gefährlich werden kann. Um in dieser sensiblen Phase bequemes und kontinuierliches Monitoring zu ermöglichen, plant ein internationales Forschungskonsortium die Technologie der Smart Textiles weiterzutreiben. Ein mit feiner Elektronik versehenes Pflaster soll Vitaldaten sammeln und auswerten können. Zusätzlich sollen die Sensoren in Baby-Kleidung integriert werden, um unter höchster Datensicherheit die Zukunft des medizinischen Monitorings von Neugeborenen zu verbessern.
 
Mit dem Beginn einer Schwangerschaft geht eine Phase intensiver Gesundheitsüberwachung des Kindes und der schwangeren Person einher. Herkömmliche Vorsorge-Untersuchungen mit Ultraschallgeräten zeichnen jedoch nur Momentaufnahmen des jeweiligen Zustands auf und erfordern vor allem bei Risikoschwangerschaften häufige Besuche bei Ärzt*innen. Mit Hilfe von neuartigen Wearables und Smart Textiles planen Forschende im EU-geförderten Projekt Newlife, ein dauerhaftes geburtsmedizinisches Monitoring im Alltag zu ermöglichen.
 
Ein Ziel des Konsortiums aus 25 Partner*innen ist es, ein biokompatibles, dehnbares und flexibles Patch zu entwickeln, um den Verlauf der Schwangerschaft und die Entwicklung des Embryos kontinuierlich zu überwachen. Ähnlich wie ein Pflaster soll das Patch auf der Haut der schwangeren Person angebracht werden, mittels miniaturisierter Sensoren (z.B. Ultraschall) permanent Vitaldaten aufzeichnen und via Bluetooth an ein Endgerät, beispielsweise ein Smartphone übermitteln.

Moderne Medizintechnik setzt schon seit einiger Zeit auf die Technologie der Smart Textiles und intelligente Wearables, um Patient*innen anstelle einer stationären Überwachung ein komfortables Dauer-Monitoring von Zuhause zu bieten. Am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikroelektronik IZM bringt das Team rund um Christine Kallmayer diese Technologie zur anwendungsbezogenen Umsetzung und profitiert dabei von langjähriger Erfahrung mit Integrationstechnologien in flexible Materialien. Beim integrierten Patch setzen die Forschenden auf thermoplastische Polyurethane als Basismaterialien, in die Elektronik und Sensorik eingebettet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass das Tragegefühl einem handelsüblichen Pflaster entspricht statt einer starren Folie. Damit das geburtsmedizinische Monitoring unmerkbar und bequem für Schwangere und das Ungeborene verläuft, plant das Projektkonsortium innovative Ultraschallsensoren auf MEMS-Basis direkt in das PU-Material zu integrieren. Über unmittelbaren Hautkontakt sollen die miniaturisierten Sensoren Daten aufnehmen. Dehnbare Leiterbahnen aus TPU-Material sollen die Informationen dann zur Auswerteelektronik und schlussendlich zu einer drahtlosen Schnittstelle weiterleiten, so dass Ärzt*innen und Hebammen alle relevanten Daten in einer App einsehen können. Zusätzlich zum Ultraschall planen die Forschenden weitere Sensoren wie Mikrofone und Temperatursensoren sowie Elektroden einzubauen.
 
Auch nach der Geburt kann die neue Integrationstechnologie von großem Nutzen für die Medizintechnik sein: Mit weiteren Demonstratoren plant das Newlife-Team das Monitoring von Neugeborenen zu ermöglichen. Sensoren für ein kontinuierliches EKG, Überwachung der Atmung und Infrarot-Spektroskopie zur Beobachtung der Gehirn-Aktivität sollen in das weiche Textil eines Baby-Bodys und eines Mützchens integriert werden. „Besonders für Frühchen und Neugeborene mit gesundheitlichen Risiken ist das Remote-Monitoring eine sinnvolle Alternative zum stationären Aufenthalt und kabelgebundener Überwachung. Dafür müssen wir einen bisher unvergleichlichen Komfort der hauchdünnen Smart Textiles gewährleisten: Es darf keine Elektronik spürbar sein. Zusätzlich muss das gesamte Modul extrem zuverlässig sein, da die smarten Textilien Waschgänge problemlos überstehen sollten“, erklärt die Projekt-Verantwortliche am Fraunhofer IZM Christine Kallmayer.
 
Zur externen Überwachung wird im Projekt außerdem an Möglichkeiten geforscht, durch Kameradaten und Sensorik im Baby-Bett Aussagen über Gesundheitszustand und Wohlbefinden des Kindes abzuleiten. Sobald die Hardware-Basis von Patch, textiler Elektronik und Sensor-Bett aufgebaut und getestet ist, werden die Projektpartner*innen noch einen Schritt weitergehen: Mittels Cloud-basierter Lösungen sollen KI und maschinelles Lernen die Anwendung für medizinisches Personal erleichtern und höchste Sicherheit der Daten gewährleisten.