Mehr Nachhaltigkeit für medizinische Schnelltests
Die HTW Dresden erforscht Technologien für den Einsatz biokompatibler
Materialien in der Point-of-Care-Diagnostik.Millionen Tonnen zusätzlicher Plastikabfall sind während der Corona-
Pandemie weltweit entstanden. Neben Masken, Schutzkleidung und
Impfutensilien hatten Schnelltests einen erheblichen Anteil daran.
Diagnostische Tests werden typischerweise aus erdölbasierten Kunststoffen
hergestellt und landen nach einmaligem Gebrauch auf dem Müll. Eine umwelt-
und ressourcenschonendere Alternative bieten Tests aus biobasierten
kompostierbaren Materialien. Im Projekt „BioMat“ erforscht die Hochschule
für Technik und Wirtschaft Dresden (HTWD) gemeinsam mit Partner*innen die
Grundlagen für den Einsatz nachhaltiger Werkstoffe in der medizinischen
Diagnostik. Als Anwendungsbeispiel dient ein neuartiger Point-of-Care-Test
(POCT) zum Nachweis von Hepatitis D.
Das Hepatitis D-Virus (HDV) löst eine chronische Leberentzündung aus, die
Leberzirrhose verursachen und das Risiko für Leberkrebs steigern kann.
POCT, die auch an Orten ohne Laborzugang funktionieren, könnten infizierte
Personen schnell identifizieren und HDV-Diagnostik auch in Ländern mit
begrenzter medizinischer Infrastruktur ermöglichen.
Biobasierter Grundwerkstoff
Das interdisziplinäre Verbundprojekt ist in zwei Teilbereiche
untergliedert: die Entwicklung eines biobasierten Grundwerkstoffes und
dessen Verarbeitungsprozess sowie die Entwicklung eines Schnelltests zur
Diagnose einer HDV-Infektion. „Wir von der HTW Dresden bringen vor allem
unsere Erfahrung auf dem Gebiet der Biokunststoffforschung und
Sensorentwicklung ein“, erläutert Projektleiter Marc-Peter Schmidt,
Professor für Konstruktion und Technologie an der Fakultät Elektrotechnik.
„Die Anforderungen an das Material sind sehr hoch. Wir benötigen eine
Oberfläche, die sich gut mikrostrukturieren lässt und Komponenten, die
einerseits langlebig und stabil, andererseits unter bestimmten Bedingungen
vollständig biologisch abbaubar sein.“
Nach Untersuchung verschiedener Materialkombinationen wurde
Polybutylensuccinat (PBS) als geeigneter Werkstoff identifiziert. PBS
lässt sich aus pflanzlicher Stärke gewinnen, ist gut zu verarbeiten,
stabil und lagerfähig und wird in der Industriekompostierung bei 60 Grad
Celsius und hoher Feuchtigkeit innerhalb von 90 Tagen fast vollständig
abgebaut. Selbst auf der Deponie oder in der freien Natur findet der
Abbauprozess statt, dauert dann aber länger.
Elektronik in Mikrostruktur
Die Herstellung der Komponenten für Schnelltests erfolgt im
Spritzgussverfahren, bei dem das Material als zähflüssige Masse unter
Druck in eine Form, das Werkzeug, gespritzt wird. „Gemeinsam mit dem
Fraunhofer IWU sowie den sächsischen Industrieunternehmen Bergi-Plast und
Otto Injection Molding ist es uns bereits gelungen, den Standardprozess
für die Verarbeitung von PBS zu optimieren, sodass die notwendige
Abformgenauigkeit erreicht wird“, sagt Projektmitarbeiter Matthieu
Fischer. „Aktuell untersuchen wir, wie sich elektrische
Funktionsstrukturen auf den Grundwerkstoff applizieren lassen, was für
spätere Anwendungen eine Rolle spielt. Anders als beim Hepatitis-D-Test
wird beispielsweise bei der mobilen Leistungsdiagnostik im Sport
elektrische Sensorik eingesetzt.“
Zur Applikation des Schaltungsdesigns, dessen Strukturen nur wenige
Mikrometer messen, nutzen die Forschenden die Dickschichttechnik. Dabei
handelt es sich um eine Art Siebdruckverfahren, bei dem Pasten durch ein
feines Raster schichtweise aufgetragen werden und so die elektrischen
Schaltkreise bilden. Mithilfe dieser Technik lassen sich Sensoren einfach
und kostengünstig herstellen. Weil auch die Elektronik der Testkits
biokompatibel sein soll, experimentiert Matthieu Fischer mit verschiedenen
nachhaltigen Pasten. Anhand einer Teststruktur prüft er ihre Eignung sowie
die technischen Anforderungen für die Herstellung der sehr kleinen und
hochpräzisen Strukturdetails.
Entwicklung der Reagenzien
Die biologischen Reagenzien für den Virusnachweis werden in enger
Zusammenarbeit von der Firma Roboscreen und dem Fraunhofer IZI erforscht
und entwickelt. Dabei bringt das Fraunhofer IZI sein Know-how in der
Antigenherstellung und das Unternehmen Roboscreen seine Expertise in der
Entwicklung und Produktion von Reagenzien und Tests für die
Labordiagnostik ein. Beide sind zudem mit den regulatorischen Aspekten
sowie den Zulassungsverfahren für medizinische Produkte vertraut.
Bevor kompostierbare oder recycelbare Biowerkstoffe in der Diagnostik zum
Einsatz kommen können, sind noch zahlreiche Hürden zu überwinden. Neben
medizinischen Studien geht es dabei vor allem um die Beseitigung
regulatorischer Hemmnisse. „Gegenwärtig müssen medizinische Abfälle wie
gebrauchte Schnelltest der thermischen Verwertung zugeführt werden,
insbesondere wenn sie Blut enthalten. Auch eine Wiederverwendung des
Materials durch Einschmelzen ist nicht erlaubt“, so Marc-Peter Schmidt.
„Angesichts der großen Abfallmengen, die hier entstehen, ist die
Substitution der erdölbasierten Diagnostikprodukte dringend geboten.“
Das Projekt will den Weg bereiten für preisgünstige, massentaugliche,
weltweit einsetzbare Schnelltestsysteme aus biologisch abbaubaren
Kunststoffen – nicht nur für HDV-Test, sondern auch für weitere
Diagnostikanwendungen.
Unter der Leitung der HTW Dresden sind an der Forschungsvorhaben BioMat
beteiligt:
Bergi-Plast GmbH, Bad Gottleuba-Berggießhübel
Otto Injection Molding GmbH & Co. KG, Niederwiesa
Roboscreen GmbH, Leipzig
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz
Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI, Leipzig
Dieses Projekt wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom
Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes.
Das Projekt wurde im Juni 2024 begonnen und läuft bis Mai 2027.
