Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Autonomer mikroelektromechanischer Sterilisationszyklenzähler (AuSter)

Das Forschungsvorhaben setzt sich zum Ziel, ein mikroelektromechanisches System (MEMS) für die Erfassung und Zählung von an Medizinprodukten durchgeführten Dampfsterilisationen zu konzeptionieren und aufzubauen. Das zu entwickelnde „heterogen“ aufgebaute mikrochipgroße System aus Siliziummikromechanik und eingelegter Formgedächtnisaktorik arbeitet energieautark, also ohne zusätzliche Energiequellen. Die Erfassung erfolgt während der Sterilisation direkt am Medizinprodukt „just-in-time“ und autonom, d. h. ohne zusätzliche technische Modifikationen bspw. des Autoklaven. Dabei wird ausgenutzt, dass im Verlauf der wechselnden Temperatur- und Druckbedingungen während eines Dampfsterilisationszyklus einmalig ein bestimmter Temperaturgrenzwert überschritten wird. Diese Überschreitung wird mit Hilfe einer Formgedächtnislegierung detektiert und mikromechanisch mit einem Zahnradmechanismus gezählt und gespeichert. Das Auslesen des Zählerstands kann nach Bedarf, z. B. während der Wartung eines medizinischen Instruments, über eine (später ggf. auch drahtlos) auslesbare elektronische Schnittstelle erfolgen.

Bei erfolgreichem Verlauf steht nach Projektende ein neuartiger Sterilisationszyklenzähler oder genereller ein Temperaturgrenzwertzähler, der auf die Erfassung von Sterilisationszyklen abgestimmt ist, als Funktionsmuster mit einem Technologiereifegrad TRL 5 zur Verfügung.

Ein Nutzen für KMU entsteht entlang einer gesamten Wertschöpfungskette. Unmittelbar profitieren KMU verschiedenster Branchen, die an einer weiteren Entwicklung des Zählers (TRL 6-7) und nachfolgend an dessen Herstellung (ggf. auch für Anwendungen außerhalb der Medizintechnik) beteiligt sind. Mit Verfügbarkeit des Zählers als Zukaufteil profitieren dann insbesondere KMU der unterschiedlichen Medizintechnikbranchen als Hersteller und Inverkehrbringer von Medizinprodukten durch Aufwertung und Verbesserung ihrer Produkte. Letztlich entsteht ein Nutzen für Endanwender wie bspw. Arztpraxen und Krankenhäuser.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Forschungsvorhabens war, ein mikroelektromechanisches System für die Erfassung und Zählung von an Medizinprodukten durchgeführten Dampfsterilisationen zu konzeptionieren, aufzubauen und zu erproben. Mit dem Projektabschluss liegen folgende Ergebnisse vor:

Für die Realisierung des Zyklenzählers wurde ein Technologiekonzept auf Basis eines mikromechanischen Zählwerks mit heterogen integriertem thermischen Aktor erarbeitet. Das vorliegende Technologiekonzept ist als grundlegender Lösungsansatz für Temperaturgrenzwertzähler und mechanische Beschleunigungszähler zu verstehen und stellt somit einen interessanten Ausgangspunkt für weiterführende Sensor- & Aktorsysteme dar.

Neben dem Technologiekonzept wurde eine erste Entwurfsmethodik für das Aktorsystem und das Zählwerk ausgearbeitet. Dabei sind analytische und numerische Modelle entstanden, die für neue Anwendungsgebiete angewendet und weiterentwickelt werden können.

Für die Herstellung des mikromechanischen Zählwerks in Silizium sind zwei unterschiedliche Prozessabläufe entwickelt und erprobt worden. Damit ist die Realisierung rotierender, freibeweglicher Strukturelemente gelungen.

Für die Integration der FGL-Aktoren in das mikromechanische System wurde eine Biegevorrichtung entwickelt und aufgebaut. Dieses spezielle Werkzeug ermöglicht die Herstellung von FGL-Biegeaktoren aus kommerziell verfügbarem Drahtmaterial. Aufgrund der manuellen Herstellungsweise variieren die Aktoren jedoch hinsichtlich ihrer Länge und Verformung. Eine reproduzierbare Herstellung konnte daher nicht erreicht werden.

Mit der Realisierung des Zyklenzählers ist die heterogene Integration von Formgedächtnis-Aktoren in ein zuvor gefertigtes Mikrosystem erfolgreich umgesetzt. Laborversuche im Autoklaven demonstrieren die Funktion des Zyklenzählers in der Anwendungsumgebung. Eine dauerfeste Verkapselung ist jedoch noch nicht gelungen.