Monitoring Mit den richtigen Rohstoffen zum smarten Patch

Werkstoffhersteller Covestro trägt mit seinen Rohstoffen zur Weiterentwicklung der patientenfreundlichen medizinischen Überwachung und Diagnose bei. Wie das aussehen kann, zeigt eine Kooperation mit pheal zur Entwicklung eines neuartigen Smart Patches zur Langzeit-EKG/EMG-Messung.

Covestro kennt sich als Werkstoffhersteller im medizinischen Markt aus. Mithilfe von Polycarbonaten von Covestro lassen sich viele der wichtigsten Geräte moderner Medizintechnik realisieren. Sie sind zudem ein wichtiger Werkstoff für die Entwicklung lebensrettender Technologien der nächsten Generation. Von Insulinpens und -pumpen, Inhalatoren, Geräten für Nierentherapie und Blutmanagement bis hin zu Defibrillatoren, Komponenten von Injektionssystemen und chirurgischen Instrumenten zur Patientenversorgung – Polycarbonate von Covestro befinden sich in einer breiten Palette von Produkten. Seit über 150 Jahren setzt Covestro bei chemischen Entwicklungen Akzente (s. Infokasten). Mit seinen Rohstoffen hat Covestro in der Vergangenheit schon in der gemeinsamen Entwicklung mit Accensors, einem deutschen Spezialisten für folienbasierte Sensoren, Aktoren und Emitter von als Patch tragbaren Sensoren (Wearable Smart Patches), dazu beigetragen, mehr Komfort und Nachhaltigkeit zu bieten. Das Ergebnis ist ein System aus Baymedix-Klebstoffen und -Schäumen sowie Platilon-Folien aus thermoplastischem Polyurethan (TPU). Accensors ist für die Entwicklung der Sensorik- und Elektronik-Module verantwortlich. Smart Patches sollen möglichst klein, flexibel und kaum spürbar sein, um Patienten einen hohen Tragekomfort zu bieten. Bei der entwickelten Lösung bestehen sie aus zwei Elementen: einem nicht wiederverwendbaren Element (Disposable Patch) inklusive der körpernahen Sensoren, das mit einem Klebstoff auf die Haut aufgebracht und nur einmal genutzt wird, und einem dauerhaft einsetzbaren Element, dem Re-Use Patch, in dem die komplette Elektronik, also die Messtechnik, Energieversorgung, Datenverarbeitung, Funkübertragung und optional ein optisches Kamerasystem, untergebracht ist.

Dank der Covestro-Materialien und der integrierten Foliensensoren ist das Wearable Patch sehr leicht, dünn und flexibel und passt sich gut an den Körper an – man spürt es kaum. Polyurethan-Klebstoffe aus Baymedix-Rohstoffen sind hautfreundlich und lassen sich ohne Schmerzen von der Haut ablösen. In dem Patch sind verschiedene Sensoren zur Ermittlung von Vitalparametern wie Puls, Druck und Temperatur eingebettet. Die Sensorintegration erfolgt durch die Kombination spezieller Platilon-Folien und einem thermisch verformbaren Schaum auf Basis von Baymedix. Alle diese Materialien sind atmungsaktiv und können effizient im Rolle-zu-Rolle-Verfahren verarbeitet werden.

Das Entfernen und Einsetzen des Re-Use Patch in das Disposable Patch ist leicht – dank einer Kombination von Materialien und Funktionen. Ein von Accensors speziell entwickelter Foliensensor bildet die Schnittstelle zwischen Smart Patch und Patient und kann mit unterschiedlichen Detektions-Parametern ausgestattet werden.

Smart Patches werden schon vielfach zur medizinischen Diagnose eingesetzt, um z. B. Blutzuckergehalt, Körpertemperatur oder Herzfrequenz zu messen. Aber auch die Beobachtung von Krankheitsbildern wie Hautkrebs oder chronischen Wunden ist möglich.

Neues EKG/EMG-Patch für ein multiparametrisches Analysebild

Neu in Kooperation mit Pheal, einem Unternehmen für nutzerzentrierte Smart-Patch-Lösungen, das aus der Kooperation zwischen Covestro und Accensors hervorgegangen ist, ist ein EKG/EMG-Patch entstanden. Was war die Motivation dahinter? Um frühzeitig eine medizinische Diagnose stellen zu können, benötigen Mediziner ein multiparametrisches Analysebild. Eine Einzelbetrachtung von Parametern, wie beispielsweise ausschließlich EKG und somit eine eindimensionale Datengrundlage für die diagnostische Bewertung des Patienten, ist für die Mediziner aufgrund großer Fehlinterpretationspotenziale nicht möglich. „Wir kommen bei Pheal nicht vom technologischen Ansatz ‚Wir können dieses und jenes messen …‘, sondern stellen uns explizit der Frage: ‚Was müssen wir messen, damit Risikopatienten remote durch Mediziner unterstützt werden können und diese eine korrekte und personalisierte Behandlungs- und/oder Therapieentscheidung treffen können‘“, erklärt Eike Kottkamp, CEO der Pheal GmbH.

Hierfür hat das Unternehmen die Vision und das Verständnis entwickelt, dass ein multiparametrischer und somit umfänglicher Blick auf den Patienten wichtig ist. Ziel ist es, die essenziellen und spezifischen Parameter für kritische Veränderungen des Gesundheitszustands von kardiovaskulären Risikopatienten frühzeitig zu erkennen und somit unmittelbar gegensteuern zu können und so die Patienten nicht in einen drohenden medizinisch kritischen Zustand laufen zu lassen. „Unter multiparametrisch verstehen wir die Kombination aus verschiedenen Datenwerten unterschiedlicher Parameter, welche zu einer korrelierten Erkenntnis zusammen­gefasst werden“, sagt Kottkamp. „Beispielsweise möchten wir mit unseren Smart-Patch-Lösungen EKG/EMG, Hydration (z. B. Wassereinlagerung in der Lunge) und auch Blutparameter (z. B. Troponin, Natrium, Kalium, Harnstoff) sowie physiologische Daten wie die Körperkerntemperatur gemeinsam monitoren.“

Platzierungsgenauigkeit und Signalqualität steigern

Ausgangspunkt ist ein bekanntes Problem: Aktuelle EKG/EMG-Elektroden verlieren bei längerer Tragezeit einen ausreichend guten elektrischen Kontakt in die Hautschichten, was zum Verlust an Signalqualität führt. Vielmals eingesetztes Hydrogel verflüchtigt sich oder wird von der Haut absorbiert. Zudem ist eine korrekte Platzierung der Elektrode auf dem Körper, von ungeschulten Personen oder sogar die Eigen-Applizierung, schwierig, was zu einer deutlich limitierten Aussagefähigkeit des EKG/EMG-Monitorings führt.

Die Lösung des Unternehmens: Ein über längere Zeit tragbares EKG/EMG-Patch mit integrierter Mikrofluidik zum manuellen Nachregeln des elektrischen Übergangswiderstands mittels Hydrogel. Zudem wird ein Elektroden-Array integriert, welches beim Aufsetzen des Patches eine Toleranz für die korrekte Positionierung ermöglicht. Der Anwender bzw. der Patient kann das EKG/EMG-Patch eigenständig applizieren. Kritische Platzierungsprobleme werden über das Elektroden- Array ausgeglichen. Im Verlauf des Tragens über einen längeren Zeitraum werden Verschlechterungen der Signalqualität erkannt und der Anwender bzw. der Patient wird aufgefordert, manuell durch Drücken auf die Nebenbereiche neues Hydrogel zur Wiederherstellung der Signalqualität einzuspeisen. Das Hydrogel ist im Nebenbereich-Reservoir des Schaumpatches gespeichert. Ein in Folientechnologie hergestellter Mikrokanal führt das Hydrogel direkt unter die Elektrode. Die auf Folienmaterial aufgebrachte Elektrode ist flexibel und dehnbar, zudem ist der Mittelpunkt der Elektroden in das Schaummaterial eingeprägt. Hierdurch ergibt sich eine Kavität, welche mit Hydrogel gefüllt wird. Durch die Verwendung von hochflexiblen und wohlfühlenden sowie wasserfesten Materialien ist das EKG/EMG-Patch für Langzeit-Monitoring-Anwendungen geeignet und minimiert die aktuellen Probleme von Platzierungsgenauigkeit und Verlust der Signalqualität.

Covestro liefert die passenden Rohstoffkomponenten

Wie bei dem Smart Patch liefert Covestro hierfür ebenfalls die Rohstoffkomponenten. Zunächst den Rohstoff zur Fertigung von Schlagschaum. Dieser wird mechanisch aufgeschäumt und auf einer Anlage gegossen. Der Schaum ist gut geeignet zur Einbettung von Elektronik und anderen Teilen. Covestros TPU-Film ist in einer Bandbreite von atmungsaktiv bis hin zur Barriere erhältlich und wird mit dem Schaum thermisch verbunden, damit die im Schaum eingebetteten Materialien bzw. die Elektronik vor äußeren Einflüssen geschützt sind. Covestro hat das Problem des harten und schweren Gerätes umgangen und durch dünne Schichten von Schaum und Folien angestrebt, das Tragen des Patches für den Patienten so angenehm wie möglich zu machen. „So vergisst der Patient, dass er überhaupt etwas trägt“, betont Karine Benbelaid, Global Segment Medical – Specialty Films bei Covestro. Eine spezielle, extramatte Oberfläche verlängert die Haftung des Patches auf der Haut. Der Kern im Patch ist ebenfalls eine spezielle Folie. Das Interessante daran: Man kann diese auch bedrucken, in diesem Fall mit Elektronik. „Die Herausforderung dabei war, dass die Folie lange eine hohe Temperatur halten muss, um die Elektronik mit einer Silbertinte aufdrucken zu können“, erzählt Benbelaid. Und das ist dem Unternehmen auch gelungen. Covestro hat für jede Schicht im Wearable eine spezielle Folie entwickelt. Das Bedrucken der Folie mit Elektronik übernehmen dann Partner-Unternehmen, mit denen Covestro auch bei der Entwicklung im regen Austausch steht, um sicherzustellen, dass die Folien kompatibel und (be)druckbar sind.

Und zu guter Letzt ein hautverträglicher Klebstoff basierend auf Polyurethan, der in dem Wearable-System eingesetzt wird. „Aktuell arbeiten wir an einem neuen Rohstoff, der eine Verlängerung der Tragezeit ermöglichen wird“, erklärt Martin Hüttner, Marketing Manager Medical bei Covestro. Der heutige Standard für den Klebstoff liegt bei einer Einsatz-Dauer von zwei bis drei Tagen. „Wir wollen aber eine Einsatz-Dauer von sieben Tagen oder länger erreichen“, betont Hüttner. Covestro wird das über die Rohstoffmodifikation erreichen.

Das Unternehmen ist stolz darauf, mit seinen inno­vativen Rohstoffen, die nicht nur sicher und einfach in der Anwendung sind, sondern auch einen Beitrag zum Ressourcenmanagement leisten, zur Weiterentwicklung der patientenfreundlichen medizinischen Überwachung und Diagnose beizutragen. Das neuartige Patch ist ein weiterer Schritt in diese Richtung.

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