Herstellung smarter Impfpflaster mit Piezoelementen

Im Einsatz gegen COVID-19

Die Verabreichung von Impfungen ist eine wichtige Vorbeugung gegen virale oder bakterielle Infektionen. Erste Impfstoffe wurden bereits in frühen asiatischen Kulturen untersucht, im 19. Jahrhundert gelang dann mit der Forschung von Edward Jenner der Durchbruch. Obwohl sie immer noch umstritten sind, gehören Impfstoffe heute zum medizinischen Alltag und verhindern, dass Menschen an Masern, Tuberkulose, Polio oder Tetanus erkranken. Durch groß angelegte Impfkampagnen konnten die Infektionsfälle weltweit deutlich gesenkt werden, einige Krankheiten wurden sogar ausgerottet, beispielsweise Pocken. Im Rahmen der globalen COVID-19-Pandemie gewinnen moderne Impftechnologien zunehmend an Bedeutung: Sie könnten der Weltbevölkerung Schutz vor zukünftigen Pandemien bieten. Impfpflaster sind eine dieser Anwendungen der nächsten Generation. Dafür werden mithilfe von Piezokomponenten oder -aktoren kleinste Tröpfchen des Impfstoffs präzise auf Mikronadeln aufgetragen.

Die neue Technologie: Impfpflaster

Mit einer Impfung werden abgetötete oder geschwächte Mikroorganismen, Toxine oder Proteine in der Regel mit Spritzen intramuskulär in den Körper injiziert. Sie erzeugen eine Immunantwort, woraus sich die Immunität des Patienten gegen die betreffenden Krankheitserreger ergibt. Das Verabreichen von Impfstoffen stellt eine ständige Herausforderung für das medizinische Personal weltweit dar, insbesondere in Entwicklungsländern mit schlechter medizinischer Infrastruktur. Impfpflaster bieten hier zahlreiche Vorteile.

Die neuartige Impfmethode besteht aus einem kleinen Polymerpflaster mit etwa 200 bis 300 µm hohen Mikronadeln. Beim Aufbringen des Pflasters dringen die Nadeln in die oberste Hautschicht ein und der Impfstoff, der sich auf der Spitze der Nadeln befindet, wird direkt injiziert. Im Gegensatz zur herkömmlichen Impfung mit Spritzen ist bei Impfpflastern eine Infektion, etwa durch Nadelunfälle, praktisch ausgeschlossen. Es gibt verschiedene Arten von Mikronadeln, von denen sich einige nach Freisetzung des Impfstoffs mit der Zeit in der Haut auflösen können.

Impfpflaster können problemlos selbst in entlegene ländliche Gebiete geliefert und auch ohne die Hilfe von medizinischem Fachpersonal angewandt werden. Sie benötigen außerdem weniger als die Hälfte der Dosis von konventionellen Impfmethoden. In den von den Mikronadeln penetrierten Hautschichten finden sich mehr Immunzellen, eine niedrige Impfdosis erzeugt also dennoch eine äquivalente Immunreaktion. Der wohl größte Vorteil dieser Impftechnik ist die Lebensdauer der Pflaster: Während der Produktion wird der Wirkstoff auf den Mikronadeln getrocknet und dessen Impfkraft für bis zu einem Jahr lang konserviert. Die Pflaster müssen nicht gekühlt werden, lediglich eine Lagerung unter 40°C sollte eingehalten werden. Besonders für Länder mit tropischem Klima eröffnet diese neue Impfmethode also wichtige Möglichkeiten.

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Mit Piezo-Präzision kleinste Tropfen für Mikronadeln dosieren

Um die Pflaster herzustellen, werden winzigste Tropfen des flüssigen Impfstoffes auf die Spitzen der Mikronadeln gegeben. Mithilfe von Piezotechnologie werden mit hoher Geschwindigkeit sehr kleine Tropfen generiert: die in Geräten zur Nano- oder Pikoliterdosierung eingesetzten Aktoren müssen bei hohen Betriebsfrequenzen von bis zu mehreren kHz arbeiten und gleichzeitig die kinetische Energie hervorbringen, die zur Erzeugung kleiner Flüssigkeitsströme oder winziger Tröpfchen erforderlich ist.

Piezoelektrische Komponenten und Aktoren eignen sich für diese anspruchsvollen Anforderungen: Der piezoelektrische Effekt beruht auf der Erzeugung von Ladungen durch die Krafteinwirkung auf einen Kristall und umgekehrt, somit arbeiten Piezokomponenten mit sofortiger Auslenkung bei Anlegen einer Spannung. Die Bauelemente arbeiten meist mit einem geringen Stromverbrauch und zeichnen sich sowohl durch Langlebigkeit als auch Zuverlässigkeit aus, was sie für den Einsatz in Druckköpfen zur Dosierung qualifiziert.

Um Tropfen bis hin zu Pikolitervolumina präzise nach dem Ink-Jet-Verfahren zu generieren und zu dosieren wird eine Glaskapillare in einem >> piezoelektrischen Rohr platziert. Diese Methode ermöglicht eine vollständig kontaktlose Dosierung bei feinster Tröpfchenerzeugung. Wirkstoffe können so ohne Kontamination dosiert werden, auch die Reinigung und Sterilisierung der Druckköpfe erfolgt ohne Probleme. Piezoaktoren, z. B. >> PICMA® Stack, stellen eine Alternative zu Piezorohren dar: in einem Druckkopf dosieren sie feinste Tröpfchen des Impfserums auf Mikronadel-Arrays mit hoher Geschwindigkeit und Präzision. Diese Aktoren zeichnen sich durch ihre außergewöhnliche Lebensdauer aus – sie funktionieren zuverlässig über mehrere Jahre hinweg selbst in komplexen Systemen.


Mehr als nur Piezokeramik: Aufbau- und Verbindungstechnik von PI Ceramic

Ob die Assemblierung von Piezos für anspruchsvolle Dosieranwendungen oder die Kontaktierung von Bauelementen – PI Ceramic kann mehr für Sie tun, als nur Piezoelemente herzustellen. Mit unserem fundierten Know-how in der Prüfung und Konfektionierung unterstützen wir unsere Kunden auch beim >> Verkleben oder Kontaktieren von Piezokomponenten sowie bei der Assemblierung.




Über den Autor

Annemarie Oesterle

Segment Marketing Manager Medizintechnik, PI Ceramic GmbH

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