App-gesteuerte Kleidung für Komfort und Gesundheit

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Wäsche, die wir am Körper tragen, hält warm und ist bequem, vielleicht sogar modisch chic. In die Stoffe eingewebte funktionelle Fasern machen es möglich, intelligente Funktionen hineinzubringen, um Körperfunktionen zu überwachen. Membranen in der Kleidung transportieren Schweiß aktiv ab und können Stoffe sogar binnen weniger Minuten desinfizieren. Ein Blick in Schweizer Forschungslabore offenbart Kleidungsfasern, die flüchtige Stoffe im Atem analysieren und so Erkrankungen entdecken können. Wirkstoffe aus Depots im Stoff sollen sich in Zukunft gezielt freisetzen lassen. Digitale Simulationsmodelle von Patienten sind in der Lage, die optimale Medikation zu berechnen. Keine Überraschung, dass sich bereits einige Bekleidungsfirmen für die neuen Möglichkeiten interessieren.

In einem flexiblen Brustgurt vereinen Forscher an der Schweizer Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt) derzeit Techniken, mit denen sie Puls, Atmung und die Blutsauerstoffsättigung verschiedener Tester verlässlich und kontinuierlich aufnehmen können. Dazu sind weder aufgeklebte Elektroden noch störende Fingerclips nötig. Der Clou liegt in verschiedenen Funktionsfasern. Das sind erstens leitfähige Garne, bestehend aus Polyester mit Silberummantelung. Eine zusätzliche Titanoxidbeschichtung dient dazu, Hautirritationen zu vermeiden, die durch den Kontakt mit dem Silber entstehen können. Diese Garne lassen sich so in den Stoff einweben oder aufsticken, dass sie elektrisch die Herzaktivität (EKG) aufnehmen und an einen Datenlogger weiterleiten. Etwas Schweiß oder Wasser und darin gelöste Salze der Haut genügen, um den Kontakt der leichten, atmungsaktiven Elektroden im Stoff zu gewährleisten. Ein eigens entwickelter Befeuchter am Gurt spendet zwei bis drei Milliliter Wasser, womit er in der Regel ungestörte Messungen über einen ganzen Tag gewährleistet.

Eine zweite beschichtete Kunststofffaser der Empa-Forscher wirkt als Lichtleiter ähnlich einer Glasfaser, ist aber deutlich flexibler. So ist auch diese Faserart für Gewebe geeignet. Für die Bestimmung der Sauerstoffsättigung im Blut leitet ein Strang dieser Lichtleiter rotes und infrarotes Licht auf die Haut. Ein zweiter Strang in etwa zehn Millimeter Entfernung nimmt das von der Haut zurückgeworfene Licht auf und leitet es durchs Gewebe zu einem Photodetektor. Aus diesem Lichtsignal lässt sich der chemische Zustand des Hämoglobins in den gut durchbluteten Hautschichten ablesen und die Blutsauerstoffsättigung berechnen.

Lichtleiter misst Atemzüge

Eine dritte Faserart ist ebenfalls lichtleitend, ändert bei Druckschwankungen aber ihre Oberfläche, sodass Licht austritt. Hebt und senkt sich der Brustkorb unter den Atemzügen des Trägers, so verringert sich die Intensität des hindurchgeleiteten Lichts, das am Ende einer solchen verwebten Faser noch ankommt. Ein Photodetektor kann aufgrund dieser Schwankungen jeden einzelnen Atemzug registrieren. "Erst unser eigenentwickeltes Beschichtungsverfahren macht derartige Fasern möglich", sagt Empa-Forscher Dr. Simon Annaheim.

Der flexible Brustgurt aus dem Empa vereint damit drei Sensorsysteme und platziert diese stabil am Körper. In einer ersten Studie setzen Ärzte an der Klinik für medizinische Onkologie in St. Gallen derartige Brustgurte bereits ein, um die Lebensfunktionen ihrer Patienten kontinuierlich zu überwachen. Das atmungsaktive Gewebe macht die dauerhafte Datenaufnahme möglich, was mit konventionellen EKG-Klebeelektroden so nicht möglich wäre. Ebenso ist mit dieser Technik die Überwachung von Patienten zu Hause denkbar, die Beobachtung des Schlafverhaltens beispielsweise oder die Analyse der Langzeitdaten von Leistungssportlern.

Mit mehrschichtigen Polymermembranen und geeigneten Detektormolekülen darin konnten die Empa-Forscher noch weitere Analysen verwirklichen: Es gelang ihnen im Labor, flüchtige Amine in durchströmender Luft nachzuweisen. Damit wird es möglich, über die Atemluft bestimmte bakterielle Infektionen wie etwa Nierenerkrankungen oder eine Lungenentzündung zu diagnostizieren. Das Team um Dr. Luciano Boesel arbeitet nun daran, die Erkennung von Krankheiten aus der Atemluft auszubauen. Ein zweiter Ansatz geht dahin, krankheitsspezifische Bestandteile in Wundsekreten zu identifizieren, um bei der Wundversorgung direkt auf die Ergebnisse zu reagieren und die Wirkstoffabgabe anzupassen.

Membran zieht Schweiß heraus

Neben der neuen Sensorik im Gewebe können auch elektro-osmotisch aktivierbare Membranen in der Kleidung neue Funktionen verwirklichen. Eine Kunststoffmembran der Firma Osmotex ist für den gezielten Flüssigkeitstransport entwickelt worden. Sie ist gerade einmal 20 Mikrometer dick und beidseitig mit Edelmetall beschichtet. Pro Quadratmeter kann die Membran rund zehn Liter Flüssigkeit in der Stunde abpumpen.

Bereits im vergangenen Jahr stellte der Schweizer Hersteller KjUS eine Skijacke vor, die an einigen Stellen mit einer solchen Membran und einer angeschlossenen Batterie ausgestattet ist. Per App lässt sich die Stromversorgung einschalten und ein Schweißtransport von innen nach außen auslösen. Mittlerweile ist diese Technik auch von einem Schutzkleidungshersteller für Motorradfahrer aufgegriffen worden. Eine damit ausgestattete Innenjacke steht kurz vor der Markteinführung.

Selbstdesinfizierende Stoffe

Eine Weiterentwicklung dieser Membran zeigt in Versuchen an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW noch eine zweite interessante Eigenschaft. Bei Anlegen einer geringen Spannung produziert sie in ihrem unmittelbaren Umfeld Ozon und andere Sauerstoffradikale. Unter Zugabe von Wasser entsteht so beispielsweise Wasserstoffperoxid, das ebenso wie Ozon keimtötend wirkt. Gemeinsam mit Partnern hat Osmotex damit bereits Stoffe entwickelt, die sich selbst in einem Zeitraum von etwa 15 Minuten desinfizieren sollen, wenn an ihrer eingenähten elektro-osmotischen Membran eine Spannung von 0,6 Volt anliegt.

Mit dieser Funktion hat das Unternehmen als erstes Produkt einen Beutel hergestellt, der auf Knopfdruck seinen Inhalt desinfiziert, etwa Smartphones oder Bargeld. In Mainz prüft Professor Dr. med. Andreas Pfützner derzeit selbststerilisierende Atemschutzmasken mit dieser Technik. Nach seiner Ansicht entsteht das desinfizierende Ozon lokal an der Membran und sammelt sich auch nicht weiter an. Für den Maskenträger sei das ungefährlich. Pfützner hält es für realistisch, dass derartige Masken bereits Mitte November eine Zulassung für den deutschen Markt erhalten können. Auch für diese Technik wäre eine App-Steuerung oder die Verknüpfung beispielsweise mit der Corona-Warn-App vorstellbar.

Derzeit suchen Osmotex-Partner nach weiteren Anwendungen für selbststerilisierende Stoffe. "Das könnten die Taschen eines Arztkittels sein, in denen sich der Mediziner zwischendurch die Hände desinfiziert", schildert Pfützner. Er kann sich auch vorstellen, dass Hersteller die Sitzbezüge in Wartezimmern von Arztpraxen derart ausstatten, oder sogar die Sitzbänke im öffentlichen Nahverkehr, den viele Menschen in der Corona-Pandemie lieber meiden.

Avatar schwitzt oder friert

Ob sich eine Person mit ihrer Kleidung in einer bestimmten Situation wohlfühlt oder nicht, ermitteln Computermodelle an der Empa. Deren Avatare lassen sich virtuell mit verschiedensten Kleidungsstücken und -stoffen ausstatten und in unterschiedlichste Situationen und Wetterlagen bringen. "Beim Temperaturmanagement und damit beim gefühlten Komfort kommt es vor allem auf die Luftschichten zwischen Kleidung und Körper an", betont Dr. Agnes Psikuta. Luft ist in der Regel der effektivste Wärmeisolator.

Für die erforderliche Datensammlung nutzen die Forscher sogenannte Manikins, mannsgroße Puppen mit Temperatursensoren an der Oberfläche, mit eigenem Heizsystem, Schweißdrüsen und -poren, um verschiedene Aktivitäten simulieren zu können. Die Manikins verbringen ihre Zeit in verschiedenen Körperhaltungen und unterschiedlicher Kleidung in der Klimakammer. Mit den daraus erzielten Messergebnissen konnten die Wissenschaftler am Empa lebensnahe Berechnungsmodelle aufbauen.

Gleich zu Beginn ihrer Suche nach softwaretechnischen Lösungen für die Simulation der Wärmeverluste am Körper stießen die Empa-Forscher auf Simulationstools der Modebranche. Die sollen eigentlich nur darstellen, wie Stoffe in der Bewegung fallen, etwa an Models auf dem Catwalk. Zum Teil setzen auch die Filmindustrie und Gaming-Branche diese Tools ein. Die Wissenschaftler erkannten, dass sie mit einer Software wie etwa CLO 3D von CLO Virtual Fashion in Verbindung mit ihren eigenen Berechnungsmodellen auch schützende Luftschichten am Körper einerseits und Wärmeverluste andererseits akkurat simulieren können. Damit können sie am bekleideten Körper millimetergenau alle Luftschichten und thermischen Bedingungen berechnen und haben so ein fundiertes Maß für den Komfort, den eine Person empfindet.

Jackentester und Kleidungsberater

Bislang simulieren die Tools keine individuellen Personen. Zunächst sollen sie zwischen typischen Klassen unterscheiden: Frauen oder Männer, Kinder oder Erwachsene, schmale, muskulöse oder beleibte Menschen. Ebenso sind verschiedene Szenarien und Körperhaltungen simulierbar. So können Designer schon in der Konzeptionsphase eine neue Skijacke virtuell ausprobieren: Friert man damit, wenn man verschwitzt auf den Skilift wartet oder reglos im Lift sitzend dem Wind ausgesetzt ist? Oder schwitzt man darin sehr bei der Abfahrt? Die Entwicklungszeit für neue Schnitte und Stoffe lässt sich mit Avataren erheblich verkürzen.

Interesse erweckt diese Anwendung auch bei Berufsverbänden. Konkret unterstützen die Forscher mit ihren Avataren die Entwicklung neuer Feuerwehr-Schutzkleidung. Es ist nicht ausgeschlossen, dass diese Technik noch den Weg in den Massenmarkt findet. "Die Schaffung individueller Avatare ist möglich, man müsste dafür allerdings erst einmal einige persönliche Daten sammeln", meint Psikuta. Unter Einbeziehung der aktuellen Wetterprognose könnte der persönliche Avatar dann helfen, morgens die angenehmste Kleidung für den Tag auszuwählen.

Digitaler Zwilling für Medikamente

An einem weiteren digitalen Zwilling arbeitet ein Empa-Team um Professor Dr. Thijs Defraeye seit etwa zweieinhalb Jahren. Die Forscher simulieren die Haut als das größte Organ des Menschen und dabei speziell die transdermale Aufnahme von Wirkstoffen. Schon viel früher hat Defraeye digitale Zwillinge für exotische Früchte wie etwa Mangos entwickelt und an ihnen die Auswirkungen von verschiedenen Lieferwegen, Lagerungsbedingungen und Belüftungsoptionen simuliert.

"In beiden Fällen ist der digitale Zwilling über die gemessenen Daten mit seinem Gegenstück in der realen Welt verbunden, es ist dasselbe Konzept", erklärt Defraeye. Sein Team hat zunächst vor allem die Aufnahme von Schmerzmitteln untersucht, die sich von Mensch zu Mensch unterscheidet. Es kristallisierte sich heraus, dass nicht nur die verschiedenen Hauttypen vergleichbar der Sonnenlichtempfindlichkeit einen entscheidenden Einfluss auf die transdermale Wirkstoffaufnahme haben, sondern auch das Alter des Patienten und sein Geschlecht. Beispielsweise sprechen ältere Erwachsene stärker auf Wirkstoffe an als jüngere, ganz ähnlich wie man das auch bei Alkohol kennt. Zudem spielen weitere Faktoren eine Rolle wie der Body Mass Index, die Lebensweise und der Kreislauf.

Die Zukunft ist vielversprechend

In Zukunft wollen die Forscher die Wirkstoffaufnahme auch an Hautmodellen messen. Das können Tests mit künstlichen Modellen sein oder auch Versuche an gezüchteten Hautzellkulturen. Auch diese Ergebnisse gehen dann in die Eigenschaften eines digitalen Zwillings ein. Im Ergebnis können Mediziner mit einem zum Patienten passenden digitalen Zwilling Wirkstoffe wesentlich zielgenauer verabreichen. Ein Schmerzpflaster für jedermann wird heute beispielsweise für drei Tage aufgeklebt. Unter Beachtung des individuellen Patienten ließen sich dessen Wirkstoffe aber wesentlich zielgenauer einsetzen und die Belastung des Körpers verringern.

Die Wissenschaftler arbeiten auch an der Vision, individuell weitere Wirkstoffe über den digitalen Zwilling zu steuern und etwa den Insulinlevel eines Diabetespatienten über die Haut zu steuern. Ziel ist es, die zeitliche Verzögerung bis zum Einsetzen der Wirkung in den Griff zu bekommen.

Wirkstoff in der Wäsche

Ein echter Regelkreislauf könnte dann entstehen, wenn die Kleidung selbst auf Anweisung des Simulationssystems die individuelle Dosis an Wirkstoffen direkt auf der Haut freisetzen könnte. Daran arbeitet am Empa ein Team um Professor Dr. René Rossi. Ihnen ist es gelungen, aktive Wirksubstanzen in Polymerfasern zu integrieren. Die stecken dann entweder im Kern einer Kern-Mantel-Faser oder sie sind direkt in die chemische Polymermatrix eingebunden.

Die Wirkstoffabgabe kann kontinuierlich erfolgen, wenn die Kleidung aus bioabbaubaren Polymeren hergestellt ist. Die Forscher verfolgen aber einen weiteren Ansatz: Im Labor versuchen sie, die Freisetzung durch einen externen Impuls auszulösen. Dabei kann es sich um einen Lichteffekt handeln oder um eine kurzzeitige Temperaturänderung. Allerdings müssen dafür die Kleidungsfasern nicht nur mit den Medikamenten, sondern gleichzeitig noch mit funktionellen Molekülen ausgestattet sein, die dann auf Licht oder Temperaturschwankungen reagieren.

Im Ergebnis stünde dann eine App, die die Medikamentenabgabe vom Kleidungsstoff direkt auf die Haut steuern könnte. Mit der zugehörigen Sensorik und einem digitalen Zwilling ließe sich daraus sogar ein vollständiger Regelkreis zusammenstellen.

Das Rechenmodell

Das Besondere am digitalen Zwilling für die transdermale Wirkstoffaufnahme ist, dass er in gewisser Weise in die Zukunft sehen kann. Denn die Messung von Wirkstoffen im Kreislauf hat bei dieser Verabreichungsform immer eine Zeitverzögerung. Der digitale Zwilling bietet dafür ein Vorhersagemodell, abhängig von der individuellen Haut des Patienten. Zudem beruht sein Rechenmodell auf einfachen physikalischen Modellen, der Rechenaufwand ist mit jedem halbwegs aktuellen PC zu bewältigen. Ein solches Modell könne in Echtzeit auf Servern und sogar auf Smartphones ablaufen, schätzt Defraeye. Allerdings steht die Forschung noch am Anfang. Der digitale Zwilling für Patiententypen mit Voraussagen für transdermal verabreichte Wirkstoffe sei noch nicht in den kommenden ein bis zwei Jahren zu erwarten.

Ein weiterer großer Schritt könnte der digitale Zwilling sein, der den Menschen ein Leben lang begleitet und nicht nur die Aufnahme von Schmerzmitteln verfolgt, sondern alle Medikamente, Lebens- und Genussmittel erkennt. Dieser digitale Zwilling könnte dann auch Aussagen beispielsweise über die Belastung der Leber machen. Auf dieser Grundlage könnte eine App in Zukunft auf Alarme von der Atemmaske oder anderen Kleidungssensoren reagieren und unmittelbar die Verabreichung von Medikamenten aus der Kleidung auslösen.

Forschung hautnah: Primärliteratur zum Thema

• Digitaler Zwilling der Haut: Simulation der transdermalen Schmerzmittelgabe
• Optische Fasern messen die Atmung: Textilien mit flexiblen Lichtleitern erkennen Druckveränderungen
• Kleidung statt Verkabelung: Optische Fasern erlauben das Monitoring der Körperfunktionen
• Avatar sucht Komfort: Kleidungssimulation erkennt Wärmebrücken und Wohlfühlbereich
• Simulierte Luftpolster wärmen den Avatar: Software berechnet Luftschichten in der Kleidung bei Bewegungen
• Manikins sammeln Daten: Dummys in Kleidung schwitzen oder frösteln in der Klimakammer

Dieser Artikel stammt aus c't 21/2020.

(agr)