Nano-basierte tragbare Elektronik für die Diagnose psychischer Störungen und die funktionelle Wiederherstellung, Produktionstechnologien und Geräte (NanoEDGE)

Problemstellung
Zur Gesundheitsuntersuchung an Patienten werden häufig Elektroden eingesetzt, beispielsweise zum Erfassen von elektrischen Muskelsignalen (EMG) oder neuronalen Signalen (EEG). Heutige Elektroden sind aus Metall und werden zum Einsatz mit einer Gelschicht versehen. Bei Langzeituntersuchungen trocknet das Gel ein und verhindert eine zuverlässige Messung am Patienten. Mit hauchdünnen Elektroden, die sich exakt der Hautoberfläche anpassen, sind nun Messungen ohne Gel und über längere Zeiträume möglich. Ein besonders guter elektrischer Kontakt zur Haut lässt sich mit gedruckten Elektroden aus Kohlenstoff-Nanopartikeln, wie beispielsweise Graphen-Nanopartikeln, erzielen. Die dazu notwendigen und heute kommerziell verfügbaren Graphen-Tinten waren bislang nicht für den industriellen Tintenstrahldruck geeignet.

Ziel
Ziel des Forschungsprojekts NanoEDGE war deshalb die Entwicklung einer Tinte aus Graphen-Nanopartikeln für den Tintenstrahldruck und eines skalierbaren Druckprozesses. Darüber hinaus wurde eine ressourceneffiziente Prozesskette zur Herstellung von Elektroden für den direkten Hautkontakt erarbeitet.

Vorgehensweise
Dazu wurden kommerzielle Tinten bezüglich ihrer Eignung untersucht und anschließend für den Tintenstrahldruck weiterentwickelt. Entscheidend waren dabei Partikelgröße, Viskosität, Oberflächenenergie, elektrische Leitfähigkeit und Hautverträglichkeit. Im nächsten Schritt erfolgte die Erarbeitung ressourceneffizienter Druckprozesse für das gezielte Aufbringen von beispielsweise Graphen-Tinte und weiteren druckfähigen Materialien. Diese beinhalteten das Drucken großflächiger, elektrisch isolierender Bereiche, Plasmaprozesse zur Erhöhung der Haftung gedruckter Elektroden sowie Nachbehandlungsprozesse zum rissfreien Trocknen gedruckter Schichten. Die entwickelten Methoden sind aufgrund ihrer Flexibilität gleichermaßen für die Prototypenfertigung und die Serienproduktion geeignet.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Nach erfolgreicher Umsetzung werden die anwenderspezifischen Druckprozesse sowohl für die Medizintechnik als auch für weitere Einsatzbereiche, wie beispielsweise Photovoltaikmodule, Displays und für gedruckte Antennen, zum Einsatz kommen können. Die israelischen Projektpartner brachten in die Kooperation Erfahrung mit hauchdünnen, gelfreien Elektroden für EMG- und EEG-Messungen ein. Über das Projekt hinaus werden zukünftig Kooperationen im Bereich gedruckter Elektroden für Therapieanwendungen sowie Biosensoren für die Blutdiagnose erwartet.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• Notion Systems GmbH