Sensorbasierte Pflaster als Fitnesstracker

Besonders im Leistungssport sind Informationen zur körperlichen Verfassung wichtig. Das ultrasensitive, elektronische Pflaster XPatch nimmt Körperschweiß auf, generiert in Echtzeit genauste Angaben und schickt diese direkt an das Smartphone des Nutzers.
Quelle: Fraunhofer IZM | Volker Mai
03.09.2020

Im Projekt XPatch wird ein flexibles Sensorsystem entwickelt, dass die biochemischen Informationen aus dem Körperschweiß in Echtzeit überwachen kann. Zum sekundengenauen medizinischen Monitoring des Herz-Kreislauf- Systems entwickelt das internationale Konsortium eine neue Generation von sensorischen Pflastern für Leistungssportlerinnen und -sportler. Das Fraunhofer IZM entwickelt die Energieversorgung, Kommunikation und Systemintegration für den flexiblen autarken Gesundheitsmonitor. 

Im internationalen Wissenschaftsprojekt kommen Experten der Biosensorik zusammen, um zukünftig mit Mikroelektronik ausgestattete Pflaster für den Fitness- und Medizintechnikmarkt anbieten zu können, die genau diese Daten analysieren und direkt auf digitalen Endgeräten abbilden können. 

Wie funktionieren die mit Elektronik ausgestatteten Pflaster? 

In dem kleinen Gesundheitsmonitor sind Antennen und integrierte Schaltkreise für die drahtlose Funk-Kommunikation mit einem Bluetooth-fähigen Endgerät, eine flexible Mikrobatterie zur autarken Energieversorgung, die Analogelektronik, der Sensorchip sowie das Powermanagement untergebracht. Das IZM entwickelte Aufbau- und Integrationstechnologie, um dünne Biosensoren und Elektronikkomponenten als flexible Pflaster zu realisieren, die eine praktische Anwendung bei den Sportlerinnen und Sportlern im Alltag ermöglichen. Das Gesamtsystem in Form eines Pflasters inklusive aller eingebauten Komponenten und Funktionalitäten soll am Ende deutlich dünner als 1 mm sein. 

Hautähnliche Materialien wie Polyurethan und Silikon

Da XPatch ein biokompatibles und flexibles Modul zum Aufbringen auf der Haut ist, wurden dafür weiche und dehnbare, aber vor allem hautähnliche Materialien wie Polyurethan und Silikon verwendet. Durch das Einbetten der Elektronik in hautähnliche Materialien sind alle Komponenten von der Rückseite des Pflasters geschützt und haben keinen direkten Kontakt mit der Haut. Der besondere Clou sind aber die dünnen biochemischen Sensorchips: Sie sind dort auf der sensitiven Pflasteroberfläche aufgebracht, wo der Kontakt zur Haut gewährleistet ist. Durch eine Öffnung im Substrat wird die Schweißanalyse ermöglicht: Mittels eines winzigen Stück Vlies auf der freien Stelle des Pflasters hinter dem Chip wird der Körperschweiß aufgenommen. Die in dem Chip enthaltenen Sensoren sollen die gemessenen Informationen in Echtzeit an ein Endgerät weitergeben und damit zur erfolgreichen Verbesserung der körperlichen Fitness eingesetzt werden können. 

Biochemische Werte werden drahtlos ans Smartphone übermittelt

So kann beispielsweise der Schweiß der Sportlerinnen und Sportler analysiert und die Messwerte für die Anwenderinnen und Anwender unmittelbar auf mobilen Geräten sichtbar gemacht werden. Um die erfassten biochemischen Werte mittels einer drahtlosen Übertagung an ein Smartphone zu senden, wurde zusätzlich eine energiesparende auf dem Bluetooth Low Energy Übertragungsstandard basierende Funkschnittstelle in das flexible Pflaster integriert. Die für Sende- und Empfangsbetrieb nötige Antenne musste möglichst kompakt ausgelegt werden und gleichzeitig den Anwendungsanforderungen hinsichtlich des Materials, der Formänderung und ihrer elektrischen Eigenschaften entsprechen. 

Erkenntnisse für die Entwicklung von Medizintechnik nutzen

Für das Fraunhofer IZM sind vor allem die Erkenntnisse im Bereich der flexiblen Substrattechnologien und der Integration elektronischer Komponenten wie Batterien und Antennen für medizinische Anwendungen ein Gewinn. Im Idealfall können die Technologien von Medizintechnikfirmen, Komponenten- und Materialherstellern genutzt werden, um eigene Produkte zu entwickeln bzw. zu verbessern. 

Kontakt: Christine Kallmayer, Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM
Christine.Kallmayer@izm.fraunhofer.de