Lernen von Heuschrecken

Wer schon einmal ein Elektrokardiogramm erstellen liess, etwa um seine Herzfitness zu überprüfen, kennt die Elektroden, die einem der Arzt oder die Ärztin am Brustkasten befestigt. Herkömmliche Elektrodenmodelle weisen jedoch erhebliche Nachteile auf: Harte Metallelektroden sind unbequem zu tragen und deshalb für Messungen über längere Zeiten nicht zumutbar. Bei Gel-Elektroden, wie sie im klinischen Alltag am häufigsten verwendet werden, erleiden Patienten öfters Hautirritationen oder gar allergische Reaktionen.

ETH-Forschenden um Janos Vörös, Professor für Bioelektronik, und Christopher Hierold, Professor für Mikro- und Nanosysteme, ist es nun gelungen, hier Abhilfe zu schaffen. Sie entwickelten eine Elektrode, die ähnlich elastisch ist wie die Haut und die der Träger somit kaum spürt. Dank der speziellen Oberflächenstruktur können Signale von Herz und Hirn in hoher Qualität aufgezeichnet werden. Ihre Arbeit haben die Forschenden unlängst in der Fachzeitung externe Seite Advanced Healthcare Materials publiziert.

Von der Natur inspiriert

Die Forschenden verwendeten für die neue Elektrode ein weiches Material, eine hautverträgliche Mischung aus Silikongummi und leitenden Silberpartikeln, welche auf eine frühere Forschungsarbeit aus der Gruppe von Janos Vörös zurückgeht. Für die Strukturierung der Oberfläche liessen sich die Wissenschaftler von der Natur inspirieren: Sie machten sich den Mechanismus zu Nutze, der Heuschrecken ermöglicht, selbst auf vertikalen Flächen zu gehen.

Die Fusssohlen dieser Insekten sind mit unzähligen winzigen Plättchen bedeckt, die unter dem Mikroskop wie Pilzköpfchen aussehen und mosaikartig angeordnet sind. Kommen sie in Kontakt mit einer anderen Oberfläche, tritt ein Klebeeffekt auf, in der Fachsprache bekannt als Van-der-Waals-Interaktion.

Die Forschenden übertrugen diese Mikrostruktur auf ihr Material und schufen so eine Elektrodenoberfläche, die an der Haut haftet. Die spezielle Geometrie auf Mikroebene maximiert zudem die Kontaktfläche zwischen Haut und Elektrode, was das Aufzeichnen von Signalen in sehr hoher Qualität ermöglicht.

Vom Reinraum ins Schwimmbecken

Die Prototypen stellten die Forschenden in einem eigens entwickelten Fabrikationsverfahren im Reinraum her. Sie bestrichen eine Unterlage mit zwei verschiedenen Lacken und deckten sie mit einer präzis perforierten Maske zu. Dann bestrahlten sie das Ganze mit Licht, was den oberen, lichtempfindlichen Lack genau unter den perforierten Stellen lösbar machte. Anschliessend tauchten sie alles in eine Chemikalienlösung. Diese griff zuerst die lösbaren Stellen des oberen Lacks an und arbeitete sich dann weiter zum zweiten Lack. Dort stoppten die Forschenden den Abbau zum exakt richtigen Zeitpunkt, so dass die gewünschte Gussform mit lauter umgekehrten Pilzköpfchen entstand. Im Abguss resultierte dann die speziell strukturierte, haftende Elektrodenoberfläche.

Um zu prüfen, ob die Elektroden auch bei starker Beanspruchung funktionieren, testeten die Forschenden sie an einer Schwimmerin. Aufgrund des Wasserwiderstands und der kräftigen Bewegungen gilt Schwimmen als besonders schwierige Disziplin für die Leistungsüberwachung mittels Elektroden. Die Resultate überzeugten: Die Qualität der Signale, die die neuen Elektroden aufzeichneten, war deutlich besser als diejenige der Gel-Elektroden, die die Schwimmerin ebenfalls trug. Inzwischen hat bereits die Seerettung Zürich Interesse an den neuen Elektroden gezeigt und setzt sie im Rahmen einer laufenden Studie ein.

Nebst einer Elektrode für die Aufzeichnung von Herzstromkurven, den Elektrokardiogrammen (EKG), entwickelten die Forscher auch eine Elektrode für die Messung von Hirnströmen, die Elektroenzephalografie (EEG). Die Materialmischung ist für beide Elektrodentypen dieselbe; die Struktur jedoch verschieden: Die EEG-Elektroden brauchen die haftende Mikrostruktur nicht, da sie jeweils mit einer Kappe fixiert sind. Ihre Oberfläche ist stattdessen mit mehreren, zwei bis vier Millimeter hohen Noppen ausgestattet, wodurch Kontakt mit der Kopfhaut selbst durch dichtes Haar hindurch möglich wird. Somit werden Rasur und Gel hinfällig.

Next step: Industrialisierung

Dass solche Elektroden hohes Marktpotenzial haben, davon waren Séverine Chardonnens und Simon Bachmann, zwei der Autoren der Studie, von allem Anfang an überzeugt. Noch während ihres Masterstudiums begannen sie, die Idee für ein eigenes Unternehmen voranzutreiben. Mit Erfolg: Die beiden Nachwuchstalente wurden in die Förderprogramme von Venture Kick und KTI aufgenommen und gewannen in Start-up-Wettbewerben schon einiges an Startkapital.

Nach der erfolgreichen Entwicklung der Elektrodenprototypen und der offiziellen Gründung von «IDUN Technologies» als ETH-Spin-off im November 2017, evaluieren Chardonnens und Bachmann nun, auf welche Anwendung sie sich vorerst konzentrieren wollen. Hierfür tauschen sie sich intensiv mit verschiedenen Industriepartnern und Forschungsgruppen aus. «Kommerzialisierung lohnt sich dort, wo die neuen Elektroden gegenüber bisherigen die grössten Vorteile aufweisen», sagt Bachmann. «Potenzial sehen wir bei der Langzeitüberwachung von Patienten, bei der Leistungskontrolle im Sport- oder im EEG-Markt».

Sobald die Frage der strategischen Ausrichtung geklärt ist, wird sich Chardonnens als Chefentwicklerin auf die Industrialisierung fokussieren, während sich Bachmann als Geschäftsführer primär auf die Akquise von Partnern und Kunden konzentriert. «Wenn alles wie geplant läuft, können wir bereits in diesem Jahr die ersten Elektroden verkaufen», sagt Chardonnens.