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Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien Die kleinste Pumpe der Welt

Mikropumpen ermöglichen innovative Produkte in vielen Bereichen der Medizintechnik. Prominentes Beispiel ist die Diabetestherapie mit sogenannten Patch-Pumpen. Knackpunkt sind bislang die Herstellungskosten. Doch die könnten dank Wafertechnoloigie schon bald drastisch sinken.

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Die kleinste ihrer Art: Nur noch 5 x 5x 0,6 mm3 misst die neue Silizium-Mikromembranpumpe aus der Fraunhofer EMFT.
Die kleinste ihrer Art: Nur noch 5 x 5x 0,6 mm3 misst die neue Silizium-Mikromembranpumpe aus der Fraunhofer EMFT.
(Bild: Fraunhofer EMFT / Bernd Müller)

Wissenschaftler der Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien (EMFT) wollen Mikropumpen so klein machen, dass deren Herstellungskosten bei großen Stückzahlen deutlich unter einen Dollar sinken. Ein wichtiges Etappenziel auf diesem Weg wurde gerade erreicht: Die neue Mini-Siliziumpumpe misst nur 5 x 5 x 0,6 mm3.

Zwerg mit viel Potential

Eine Anwendung, die schon länger am Markt etabliert ist, sind Insulinpumpen. Um die Blutzuckerwerte im Griff zu behalten, müssen sich Diabetiker in der Regel mehrmals täglich eine Dosis Insulin verabreichen. Dazu kommen heute meist Insulinpumpen, Pen-Injektoren oder Patch-Pumpen zum Einsatz. Letztere liegen derzeit voll im Trend: Patch-Pumpen sind besonders einfach und komfortabel, da sich Patienten nur einmal in drei Tagen stechen müssen. Die Insulingaben lassen sich über eine Fernbedienung steuern. Nach drei Tagen wird die Pumpe abgenommen und an einer anderen Stelle eine neue Pumpe gesetzt. Heute verfügbare Patch-Pumpen sind etwa so groß wie ein flaches halbes Ei.

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Anwendungsspektrum für Pflaster mit Patch-Pumpen

Kostengünstig, zuverlässig, klein und leicht: Mit diesen Eigenschaften bringt der neue Pumpenwinzling auf Basis von Siliziumchips beste Voraussetzungen mit, um zukunftsträchtige Produkte wie etwa Pflaster mit integrierten Patch-Pumpen zu realisieren. Neben der Hauptanwendung Diabetestherapie könnten solche Pflaster beispielsweise auch in der Schmerztherapie, Tumortherapie oder Hormontherapie zum Einsatz kommen. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind diagnostische Lab-on-a-chip-Systeme, Fördersysteme für Spülflüssigkeiten bei Operationen sowie die Therapie chronischer Wunden durch Unterdruck.

Rund sechs Millionen Menschen in Deutschland leiden an Diabetes Typ 2. Tendenz: steigend. Der Bedarf an Einweg-Pumpen ist also da. Doch die Therapie mit Patch-Pumpen ist bislang noch teurer als konventionelle Therapievarianten. „Verschiedene Entwicklungsgruppen haben bei der Entwicklung von Medizintechnikprodukten auf Basis von leistungsstarken Silizium-Mikropumpenchips bereits sehr vielversprechende technologische Ansätze, die auch die hohen Sicherheitsanforderungen bei der Diabetestherapie erfüllen. Allerdings erschweren die noch recht hohen Herstellungskosten eine erfolgreiche Produkteinführung“, erklärt Dr. Martin Richter von der Fraunhofer EMFT.

Die Kosten sinken

Um die Herstellungskosten zu senken, setzen Richter und sein Team auf eine weitere Miniaturisierung der Mikropumpenchips. Mikromembranpumpen aus Silizium werden im Batch-Verfahren auf Silizium-Wafern hergestellt. Je kleiner die Pumpenchips, desto mehr passen auf einen Wafer. Den Münchner Wissenschaftlern ist es jetzt gelungen, einen Pumpenchip mit Abmessungen von 5 x 5 x 0,6 mm3 zu realisieren. Dieser Winzling ist die mit Abstand kleinste Mikropumpe der Welt und erreicht mit Luft trotzdem noch Förderraten von 300 µl/min sowie einen beachtlichen Luftgegendruck von 30 kPa. Bei dieser Chipgröße fänden auf einem 8-Zoll-Wafer mehr als 1.000 Mikropumpen Platz, sodass in hohen Stückzahlen mit mehr als 200 Wafern pro Woche Herstellungskosten von unter einem US-Dollar pro getestetem Pumpenchip erreichbar sind. Bei noch kleineren Pumpenchips sinken die Kosten noch weiter entsprechend der Fläche.

Einfach alles eine Nummer kleiner bauen und damit die Kosten senken – das klingt zunächst nach einer sehr einfachen Lösung. „Ganz so trivial ist es nicht, da man beim Pumpendesign wichtige Funktionszusammenhänge berücksichtigen muss“, erläutert Richter. So müssen die Forscher bei der Miniaturisierung Hubvolumina, Totvolumina und damit das Kompressionsverhältnis der Pumpe im Auge behalten. Ein geringes Kompressionsverhältnis führt zu einer geringeren Gegendruckfähigkeit. Das kann problematisch werden, etwa wenn sich im Fluid eine Gasblase bildet und die Gegendruckfähigkeit dadurch noch weiter herabgesetzt wird. Im schlimmsten Fall kommt es dann zum Ausfall der Pumpe. „Gerade in so sensiblen Bereichen wie der Medizintechnik darf so etwas natürlich nicht passieren. Die Pumpe muss absolut zuverlässig funktionieren und robust gegenüber Störungen sein“, betont Richter.

Den Münchner Mikrofluidik-Experten ist es gelungen, das Totvolumen durch innovative Herstellungsmethoden signifikant zu reduzieren und so ein günstiges Kompressionsverhältnis zu erreichen. Das Vorgängermodell, eine 7 x 7 x 1 mm3 große Mikropumpe, verfügt dadurch über eine Gegendruckfähigkeit mit Luft von 90 kPa – das ist um Faktor 3 bis 5 mal höher als bei vergleichbaren Mikromembranpumpen. Dadurch eignet sich diese Pumpe auch für Anwendungen, in denen höchste Anforderungen an Robustheit und Zuverlässigkeit gelten, etwa beim Freispülen von blockierten Kathetern. Demonstratoren dieser neuen Mikropumpentechnologie präsentieren die Fraunhofer-Forscher auf der diesjährigen Compamed am Stand der Fraunhofer EMFT.

Der Beitrag erschien zuerst auf dem Portal unserer Schwestermarke devicemed.

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