Silber, Kupfer, Kohlenstoff: Alternative Materialien für die Medizinelektronik
Nachhaltige Medizinelektronik: Kupfer, Kohlenstoff und biobasierte Materialien können Sensorpflaster umweltfreundlicher machen.
Flexible Elektronik für die Wundversorgung: Die im SUSTRONICS-Projekt entwickelte Wundauflage kombiniert ein dünnes TPU-Trägermaterial mit gedruckten Leiterbahnen und integrierter Sensorik. Ziel ist es, medizinische Einwegprodukte ressourcenschonender und besser recycelbar zu gestalten.
Foto: Fraunhofer IZM | Barbara Pahl
Intelligente Pflaster können Temperatur, Feuchtigkeit, pH-Wert oder andere für die Wundheilung wichtige Parameter erfassen. Das soll unter anderem dabei helfen, unnötige Verbandwechsel zu vermeiden und Infektionen früher zu erkennen. Wie weit solche Systeme inzwischen entwickelt sind, zeigt beispielsweise ein vernetztes Sensorpflaster zur kontinuierlichen Überwachung von Gesundheitsdaten.
Allerdings steckt in den meist nur kurz verwendeten Produkten zunehmend Elektronik: Sensoren, Leiterbahnen, Elektroden und mitunter Bauteile zur Auswertung und drahtlosen Übertragung der Messwerte. Zum medizinischen Einwegprodukt kommt damit elektronischer Abfall hinzu.
Sensoren im Pflaster
Wie sich diese Umweltwirkungen verringern lassen, hat das europäische Forschungsprojekt SUSTRONICS untersucht. An dem von 2023 bis 2026 laufenden Projekt waren 46 Partner aus Industrie und Forschung beteiligt. In zehn Demonstratoren entwickelten sie unter anderem EEG-Sensoren, intelligente Inkontinenzprodukte, tragbare Messsysteme und eine smarte Wundauflage. Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM begleitete mehrere medizinische Anwendungen mit Lebenszyklusanalysen.
Solche Systeme gehören zu einem größeren Trend: Wearables entwickeln sich zunehmend zu medizinischen Messsystemen, die Gesundheitsdaten kontinuierlich erfassen können.
Kleines Bauteil, große Wirkung
Dabei zeigte sich, dass nicht unbedingt der mengenmäßig größte Bestandteil die Umweltbilanz bestimmt. Bei einem Pflaster zur Glukosemessung waren vor allem die Elektroden für die Umweltauswirkungen verantwortlich. Ein optischer Sensor, der ohne diese Elektroden auskommt, verringerte den CO₂-Fußabdruck des Produkts nach Angaben des Fraunhofer IZM um rund 65 Prozent.
Bei der flexiblen Elektronik einer intelligenten Wundauflage sollen andere Trägermaterialien, leitfähige Tinten und Recyclingmaterialien die Umweltbilanz gegenüber der üblichen Kombination aus PET und Silber sogar um bis zu 95 Prozent senken können. Wichtig ist dabei eine Einschränkung: Die Zahl bezieht sich auf das elektronische Modul, nicht auf das gesamte Medizinprodukt.
Viele Funktionen, viele Materialien
Schon ein vergleichsweise einfaches elektronisches Pflaster ist ein komplexes Verbundprodukt. Flexible Folien aus PET oder thermoplastischem Polyurethan dienen als Träger. Darauf sitzen gedruckte Leiterbahnen und Elektroden aus Silber, Kupfer, Gold, Silber-Silberchlorid oder kohlenstoffhaltigen Materialien.
Hinzu kommen Sensoren, Halbleiter, Funkmodule, Klebstoffe, Schutzschichten und gegebenenfalls eine Batterie. Die einzelnen Werkstoffe werden so miteinander verbunden, dass das Produkt Feuchtigkeit, Bewegung und Hautkontakt standhält.
Schwieriges Recycling
Genau das erschwert die spätere Trennung und Verwertung. Für die Umweltbilanz ist zudem nicht nur die Materialmenge entscheidend. Bei kleinen elektronischen Systemen können integrierte Schaltkreise einen großen Anteil am CO₂-Fußabdruck haben. Im SUSTRONICS-Pilotprojekt zu intelligenten Inkontinenzprodukten schnitt deshalb die Variante schlechter ab, bei der der weggeworfene Sensoraufkleber einen Chip für Messung und Kommunikation enthielt.
Das Problem betrifft nicht nur die Medizinelektronik. Auch bei anderem Elektroschrott gehen trotz Recycling wertvolle Rohstoffe verloren. Gerade bei kleinen und komplex aufgebauten Elektronikprodukten ist die Rückgewinnung einzelner Materialien schwierig.
Die verwendeten Materialien erfüllen allerdings konkrete Aufgaben. Silber besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit, Kunststofffolien sind flexibel und feuchtigkeitsbeständig, Beschichtungen schützen die Elektronik und Klebstoffe halten die verschiedenen Schichten zusammen. Ein Ersatz muss deshalb mehr leisten, als auf dem Papier eine günstigere Umweltbilanz vorzuweisen.
Alternativen sind bereits verfügbar
Für einige Anwendungen stehen solche Alternativen schon heute zur Verfügung. Im SUSTRONICS-Projekt wurden unter anderem Kupfer und Kohlenstoff als Ersatz für silberhaltige Leiterbahnen und Tinten getestet.
Für gedruckte Elektronik kommen neben herkömmlichen Polyesterfolien auch Papier oder Folien aus Polymilchsäure, kurz PLA, als Träger infrage. Eine Kombination aus Papier und geeigneten kohlenstoffhaltigen Tinten kann die Grundlage für potenziell biologisch abbaubare Elektronik bilden.
Elektronik aus dem Drucker
Auch biobasiertes TPU eignet sich zumindest teilweise für sehr dünne, dehnbare und an die Haut anschmiegsame Elektronik. In der intelligenten Wundauflage des Projekts wurden auf einer dünnen TPU-Folie Leiterbahnen aus Kupfer erzeugt. Die Variante bot nach Angaben der Projektpartner eine hohe Leitfähigkeit und Zuverlässigkeit.
Gedruckte Elektronik wiederum kann den Materialverbrauch und die Zahl der Prozessschritte reduzieren, bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen gefertigt werden und eine größere Auswahl möglicher Trägermaterialien ermöglichen. Auch für medizinische Anwendungen wird daran intensiv geforscht. So lassen sich beispielsweise Biosensoren mit Druckverfahren herstellen, die verschiedene Biomarker erfassen können.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Elektronik nicht mehr vollständig mit dem Verbrauchsprodukt zu entsorgen. Bei modularen Systemen verbleiben möglichst viele aufwendig gefertigte Bauteile in einer wiederverwendbaren Ausleseeinheit. Lediglich der hygienisch sensible Sensoraufkleber oder die Wundauflage werden gewechselt.
Ersatz ist eine technische Herausforderung
Nicht jede Alternative ist für jede medizinische Anwendung geeignet. Kupfer ist preisgünstig und gut leitfähig, oxidiert aber schneller als Silber. Papier und biologisch abbaubare Kunststoffe müssen Feuchtigkeit, mechanischer Belastung und den jeweiligen Lagerbedingungen lange genug standhalten. Bei direkt aufgedruckten Sensoren entscheidet zudem die Stabilität des Messsignals darüber, ob sie über mehrere Tage verlässliche Werte liefern.
Besonders schwierig bleibt der Ersatz spezieller elektronischer Bauteile. Chips, Funkmodule und Energieversorgung lassen sich nicht einfach durch Papier oder einen Biokunststoff ersetzen. Umso wichtiger ist es, sie im wiederverwendbaren Teil eines Systems unterzubringen. Bei der intelligenten Wundauflage befindet sich deshalb nur die flexible Sensoreinheit im Einwegteil, während Auslese- und Übertragungstechnik mehrfach genutzt werden können.
Materialien müssen verträglich sein
Hinzu kommen die besonderen Anforderungen der Medizintechnik. Materialien mit direktem oder indirektem Körperkontakt müssen biologisch bewertet werden. Je nach Produkt müssen außerdem Hautverträglichkeit, Sterilisierbarkeit, elektrische Sicherheit und eine gleichbleibende Messgenauigkeit nachgewiesen sein.
Ein Material ist nicht bereits dann eine geeignete Alternative, wenn es leitfähig, flexibel und umweltfreundlicher ist. Es muss diese Eigenschaften zuverlässig miteinander verbinden.
Komplexe Ökobilanz bereits in der Entwicklung
An diesem Punkt setzen sogenannte Lebenszyklusanalysen an. Sie betrachten die Umweltwirkungen von der Rohstoffgewinnung über Herstellung und Nutzung bis zur Entsorgung. Im SUSTRONICS-Projekt wurden unter anderem Treibhauseffekte, Verbrauch kritischer Rohstoffe und mögliche toxische Wirkungen untersucht. Dadurch lassen sich ökologische Probleme erkennen, bevor ein Produkt fertig entwickelt ist.
Das ist wichtig, weil sich die entscheidenden Belastungen nicht immer dort zeigen, wo Forschende sie auf den ersten Blick vermuten. Beim intelligenten Inkontinenzprodukt fiel das Substrat in der Ökobilanz kaum ins Gewicht. Deutlich relevanter war die Elektronik im Einwegteil.
Nachhaltigkeit beginnt beim Produktdesign
Der Austausch einzelner Werkstoffe bleibt aber nur ein Baustein. Ebenso wichtig ist die Konstruktion. Langlebige und kurzlebige Komponenten sollten möglichst voneinander getrennt werden. Chips, Funktechnik und Ausleseelektronik gehören in den wiederverwendbaren Teil, während das Einwegmodul auf die tatsächlich benötigten Sensoren und Leiterbahnen beschränkt bleibt.
Bei der Fertigung Material sparen
Auch die Fertigung bietet Einsparpotenzial. Additive Verfahren bringen leitfähige Tinten nur dort auf, wo sie benötigt werden. Im Gegensatz zu subtraktiven Verfahren muss nicht zunächst eine flächige Metallschicht erzeugt und anschließend teilweise wieder entfernt werden. Das kann Material, Energie und Prozessschritte sparen.
Gleichzeitig sollten Entwicklerinnen und Entwickler bereits berücksichtigen, wie sich Bauteile am Ende ihrer Nutzung trennen, sammeln und verwerten lassen. Ein theoretisch recycelbarer Werkstoff hilft wenig, wenn er fest mit mehreren anderen Materialien verklebt ist oder für das Produkt kein geeigneter Entsorgungsweg existiert.
Das Gesamtsystem entscheidet
Nachhaltige Medizinelektronik entsteht daher nicht durch den einen neuen Werkstoff. Kohlenstoff, Kupfer, Papier, PLA oder biobasiertes TPU können etablierte Materialien in bestimmten Anwendungen ersetzen. Ob sie tatsächlich die bessere Wahl sind, hängt jedoch von Funktion, Herstellungsverfahren, Lebensdauer, Hygieneanforderungen und Entsorgung ab.
Ein Beispiel: Bei der Wundauflage kann die Überwachung dazu beitragen, unnötige Verbandwechsel und eventuell sogar Fahrten von Pflegekräften zu vermeiden.
Die zusätzliche Elektronik verursacht also zunächst Umweltauswirkungen, kann zugleich aber Auswirkungen an anderer Stelle des Gesamtsystems beeinflussen. Eine reine Betrachtung des Materials würde solche Effekte nicht mitberücksichtigen.
Das größte Potenzial liegt darin, all diese Faktoren nicht erst beim fertigen Produkt zu prüfen. Werden Ökobilanz, Materialauswahl und Kreislauffähigkeit schon in die Entwicklung einbezogen, lassen sich Belastungen gezielt reduzieren, ohne Sicherheit und medizinischen Nutzen aus dem Blick zu verlieren. Gesucht ist also nicht das vermeintlich grünste Material, sondern das für den gesamten Lebenszyklus bessere Gesamtsystem.
Quellen
- Fraunhofer IZM: Nachhaltige Medizinelektronik kann Umweltwirkungen um bis zu 65 Prozent reduzieren, 18. August 2026
- SUSTRONICS: Environmentally compatible single-use electronics – Smart Skin Patch, Smart Hygiene und Smart Wound Dressing
- SUSTRONICS: Sustainable manufacturing for electronics – nachhaltige Materialien und Fertigungsverfahren
- SUSTRONICS: White Paper – Ergebnisse zu Materialien, Ökodesign, Lebenszyklusanalysen und Kreislaufwirtschaft
- EUR-Lex: Verordnung (EU) 2017/745 über Medizinprodukte
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