Smartpump

Smartpump – die kleinste Mikrodosierpumpe der Welt schafft Raum für Innovationen

Warum brauchen wir diese neue Technologie?

Die Smartpump ist ein Mini-Labor »to go«: Sie passt sowohl in ein Mobiltelefon, als auch in einen Jackensaum, kann mit einem Pflaster an der Haut fixiert und sogar in den menschlichen Körper implantiert werden. Sie misst in Kombination mit geeigneten Sensoren zum Beispiel Feinstaub, giftige Gase, Feuchtigkeit oder den Insulinspiegel. Außerdem kann sie als Mikropumpe kleinste Mengen an Gas oder Flüssigkeit genau dosieren. Überall dort, wo kleine mobile Analyse und Dosiermöglichkeiten einen Mehrwert bringen – etwa als Teil eines Frühwarnsystems oder für medizinische Anwendungen - eröffnet die Smartpump neue Lösungen.

Wem nutzt diese neue Technologie?

Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig. So ermöglicht sie beispielsweise Feinstaubmessungen per Mobiltelefon zum persönlichen Gesundheitsschutz oder individuelle Warnungen vor giftigen Gasen beim Einsatz von Feuerwehrleuten. Beispiele für medizinische Anwendungen sind die Insulinmessung bei Diabetikern oder die Glaukom-Therapie, bei der die Mikropumpe implantiert und der Augeninnendruck darüber reguliert würde. Feinmechanische Geräte könnten durch die Pumpe mit exakt dosiertem Schmierstoff versorgt werden.

Wie funktioniert die neue Technologie?

»Unsere Smartpump ist nur 25 Quadratmillimeter groß und damit die kleinste Pumpe der Welt. Trotzdem hat sie ein hohes Kompressionsverhältnis«, erläutert Dr. Martin Richter, der die Abteilung Mikrodosiersysteme an der Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT in München leitet. Um in der Pumpkammer Druck zu erzeugen, nutzt das Forscherteam den piezoelektrischen Effekt, der elektrische Spannung in mechanische umwandelt: Mit Hilfe von Wechselspannung wird die Silizium-Membran nach oben oder unten bewegt, Umgebungsluft durch ein Ventil eingesaugt, in der Pumpkammer verdichtet und wieder herausgepresst.

Was macht das Projekt einzigartig?

Herkömmliche piezoelektrisch angetriebene Mikromembranpumpen können nur relativ niedrige Drücke mit Luft erzeugen. Denn die Asymmetrie des Piezoeffektes erfordert viel Platz in der Pumpkammer, um die Membran bewegen zu können. Dadurch entsteht unvermeidbar ein hohes Totvolumen. Dem Forscherteam ist es gelungen, das Totvolumen zu reduzieren und so den Druck und das Saugvermögen zu erhöhen: Die Membran wird bereits bei der Montage mit dem Piezoeffekt definiert vorgespannt. Somit wird die tiefe Pumpkammer überflüssig. Das ermöglicht höhere Kompressionsverhältnisse und insgesamt noch kleinere Mikropumpen.

Nicht nur die Membran, auch die Klappventile und die Pumpkammer werden aus einkristallinem Silizium gefertigt, was gegenüber Metallen und Kunststoffen zahlreiche Vorteile hat: Das Halbmetall ist elastisch und ermüdungsfrei. Zudem lassen sich die einzelnen Pumpenkomponenten sehr exakt aus der Siliziumschicht herausätzen und anschließend aneinanderfügen. Der Nachteil: Silizium ist verhältnismäßig teuer. Auch deshalb ist es so wichtig, die Pumpe so klein wie möglich zu bauen.

Die Integration von Gassensoren in Smartphones wird derzeit unter anderem dadurch erschwert, dass die Reaktionszeiten für diese Sensoren viel zu lang sind. Die Smartpump könnte den Gassensoren gezielt Luft zuführen und so die Reaktionszeit von mehreren Minuten auf zwei Sekunden verkürzen.

Warum fördert die Fraunhofer-Zukunftsstiftung das Projekt?

Die Förderung der Fraunhofer-Zukunftsstiftung schafft die technischen Voraussetzungen für die Anwendung der Smartpump – z. B. in Smartphones. Ziel ist es, dass die Technologie für zahlreiche Anwendungsbereiche vorbereitet und dann großflächig einsetzbar ist.

Weitere Projekte zum Thema »Gesundheit und Medizin«

 

»Give A Breath«-Challenge

Anfang 2020 breitete sich COVID-19 weltweit aus und wurde zur Pandemie, mit der

wir noch immer kämpfen. Immer mehr Menschen sind auf intensiv-medizinische Hilfe

angewiesen. Selbst wirtschaftlich stark entwickelte Länder kommen an ihre Grenzen.

Armen Ländern fehlt es grundsätzlich an notweniger Spezialausstattung – insbesondere an Apparaturen zur Beatmung von Patient:innen. Die Fraunhofer-Zukunftsstiftung und die Munich Re riefen daher gemeinsam zur Challenge »Give a Breath« auf, um die medizinische Versorgung von COVID-19 Patient:innen weltweit zu verbessern. Ziel war es, medizinische Notfallausrüstung dezentral und unabhängig von medizinischen Lieferketten bereit zu stellen. Dazu wurden Konzepte zur lokalen Produktion von Apparaturen gesucht.

 

Ribolution-EMDM Benchtop

Mit dem Projekt »RIBOLUTION« förderte die Fraunhofer-Zukunftsstiftung bis 2019 den Aufbau von Know-how zur effizienten Identifizierung und Validierung von nicht-kodierenden Ribonukleinsäure (RNA)-Biomarkern für die Diagnostik. Das Anschlussprojekt »Ribolution-EMDM Benchtop« der Fraunhofer-Zukunftsstiftung unterstützt das Projektteam beim Transfer in der Technologie in die Anwendung und einen vielversprechenden Verwertungspfad: die Entwicklung einer Einzelmolekül-Detektionsmaschine (EMDM). 

 

Ihr Herzensprojekt

Mit der Fraunhofer-Zukunftsstiftung können Sie Forschungsprojekte fördern, die Ihnen am Herzen liegen. Ein Stiftungsengagement bietet Ihnen viele Vorzügen. Lassen Sie sich von unseren Projektbeispielen inspirieren.