Die Corona-Pandemie hinterließ weltweit Millionen Tonnen zusätzlichen Plastikabfalls, wozu neben Schutzkleidung vor allem Einweg-Schnelltests aus erdölbasierten Kunststoffen beitrugen. Um diese Ressourcenverschwendung zu stoppen, erforscht die Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden im Projekt „BioMat“ den Einsatz biobasierter, kompostierbarer Werkstoffe in der medizinischen Diagnostik. Als konkretes Anwendungsbeispiel dient die Entwicklung eines neuartigen Point-of-Care-Tests (POCT) zum Nachweis von Hepatitis D. Da diese Infektion schwere Leberschäden bis hin zu Krebs verursachen kann, bieten solche mobilen Tests die Chance, Betroffene auch in Regionen mit begrenzter medizinischer Infrastruktur schnell und sicher zu identifizieren.
Biobasierter Grundwerkstoff
Das interdisziplinäre Verbundprojekt untergliedert sich in zwei Teilbereiche. Diese umfassen die Entwicklung eines biobasierten Grundwerkstoffes samt Verarbeitungsprozess sowie eines Schnelltests zur Diagnose von HDV-Infektionen. „Wir von der HTW Dresden bringen vor allem unsere Erfahrung auf dem Gebiet der Biokunststoffforschung und Sensorentwicklung ein“, erläutert Projektleiter Professor Marc-Peter Schmidt und ergänzt im Hinblick auf die Materialeigenschaften: „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 der Untersuchung verschiedener Materialkombinationen identifizierte das Team Polybutylensuccinat (PBS) als geeigneten Werkstoff. Dieses aus pflanzlicher Stärke gewonnene Material ist stabil, lagerfähig und gut zu verarbeiten. Dabei wird es in der Industriekompostierung unter spezifischen Bedingungen innerhalb von 90 Tagen fast vollständig abgebaut. In der Natur oder auf Deponien dauert dieser Prozess entsprechend länger an.
Elektronik in Mikrostruktur
Die Herstellung der Schnelltest-Komponenten erfolgt im Spritzgussverfahren, bei dem zähflüssiges Material unter Druck in ein 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 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 mit mikrometerfeinen Strukturen nutzen die Forschenden die Dickschichttechnik. Dieses Siebdruckverfahren ermöglicht die schichtweise und kostengünstige Herstellung elektrischer Schaltkreise durch das Auftragen spezieller Pasten. Da auch die Elektronik biokompatibel sein soll, experimentiert Matthieu Fischer mit nachhaltigen Pasten und prüft deren Eignung sowie die Präzision der Strukturdetails anhand einer Teststruktur.
Entwicklung der Reagenzien
In enger Zusammenarbeit erforschen und entwickeln die Firma Roboscreen und das Fraunhofer IZI biologische Reagenzien für den Virusnachweis. Dabei bündelt das Institut sein Know-how in der Antigenherstellung und das Unternehmen seine Expertise in der Diagnostik-Produktion. Da beide Partner zudem mit den regulatorischen Zulassungsverfahren für Medizinprodukte vertraut sind, adressieren sie gezielt die zahlreichen Hürden, die dem Einsatz kompostierbarer oder recycelbarer Biowerkstoffe in der Diagnostik noch im Weg stehen. Neben medizinischen Studien liegt der Fokus vor allem auf der Beseitigung regulatorischer Hemmnisse, da Marc-Peter Schmidt betont: „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.“ Er ergänzt mit Blick auf die ökologische Relevanz: „Angesichts der großen Abfallmengen, die hier entstehen, ist die Substitution der erdölbasierten Diagnostikprodukte dringend geboten.“
Das Projekt verfolgt das Ziel, den Weg für preisgünstige, massentaugliche und weltweit einsetzbare Schnelltestsysteme aus biologisch abbaubaren Kunststoffen zu bereiten, die über den HDV-Test hinaus für diverse Diagnostikanwendungen nutzbar sind.