Drahtlos betriebener „intelligenter Verband“ könnte Medikamente liefern

30. Mai 2023

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von der University of Glasgow

Eine neue Generation drahtlos betriebener, umweltfreundlicher „intelligenter Bandagen“ könnte Patienten mit nicht heilenden Wunden helfen, Infektionen zu vermeiden, sagen Wissenschaftler.

Der Verband könnte dazu beitragen, die Lebensqualität von Menschen zu verbessern, die mit chronischen, nicht heilenden Wunden leben, die derzeit häufig eine schmerzhafte Reinigung und Behandlung erfordern. Nicht heilende Wunden können eine Nebenwirkung bestimmter Medikamente oder gesundheitlicher Faktoren wie Diabetes, Krebs oder beschädigter Blutgefäße sein.

Ein Forscherteam aus Großbritannien und Frankreich hat den ersten Verband seiner Art entwickelt, der mit Leuchtdioden (LEDs) ausgestattet ist, um Wunden in sterilisierendes ultraviolettes Licht zu tauchen und so das Wachstum von Bakterien zu verhindern, ohne dass Medikamente wie z. B. eingesetzt werden müssen Antibiotika.

UV-Licht wird bereits häufig zur Sterilisation von Gegenständen wie chirurgischen Geräten und frischen Lebensmitteln eingesetzt. Die Behandlung bakterieller Infektionen in nicht heilenden Wunden mit UV-Licht anstelle von Medikamenten könnte dazu beitragen, das Wachstum gefährlicher neuer Stämme antibiotikaresistenter Bakterien, sogenannter „Superbugs“, zu verlangsamen.

In einem neuen Artikel, der in der Zeitschrift IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems veröffentlicht wurde, beschreiben die Forscher, wie sie den intelligenten Verband bauten und seine antibakterielle Wirksamkeit demonstrierten.

Sie bauten eine schlanke, flexible Induktionsspule, die in das Gewebe der Bandage integriert werden konnte. Die Spule nutzt eine Technik namens magnetisch-resonante drahtlose Energieübertragung, um die UV-LEDs ohne Batterien mit Strom zu versorgen.

Stattdessen erhält die Induktionsspule ihre Energie über die Luft, übertragen von einer zweiten Spule, die an das Stromnetz angeschlossen ist. Die LEDs können unbegrenzt mit Strom versorgt werden, indem einfach die Sende- und Empfangsspulen nahe beieinander gehalten werden, bis die antimikrobielle Behandlung abgeschlossen ist.

In Labortests setzten die Forscher Proben eines gramnegativen Bakterienstamms namens Pseudoalteromonas sp. D41 an das von der Smart Bandage gelieferte UV-Licht. Einige Formen gramnegativer Bakterien können beim Menschen eine Reihe schwerer Infektionen verursachen.

Die Tests zeigten, dass der intelligente Verband das Wachstum von Pseudoalteromonas sp. verlangsamen und stoppen kann. D41 auf der Oberfläche von Objektträgern, wodurch die Bakterien innerhalb von sechs Stunden wirksam abgetötet werden. Die Forscher vermuten, dass das System in medizinischen Einrichtungen eingesetzt werden könnte, um dasselbe gegen Bakterien in chronischen, nicht heilenden Wunden von Patienten zu bewirken.

Professor Steve Beeby, RAEng-Lehrstuhl für neue Technologien an der University of Southampton, ist Mitautor des Papiers. Er sagte: „Der Einsatz von ultraviolettem Licht zur Abtötung von Viren und Bakterien ist allgemein bekannt und dies ist die erste Arbeit, die UVC-emittierende LEDs in einen Verband integriert und deren Wirksamkeit untersucht. Dieser Ansatz könnte einen erheblichen Nutzen für die Behandlung hartnäckiger Wunden bieten.“ ist ein großer Fortschritt gegenüber typischen intelligenten Bandagen, die versuchen, den Wundzustand zu überwachen.“

Dr. Mahmoud Wagih von der James Watt School of Engineering der University of Glasgow ist ein weiterer Co-Autor des Papiers. Er entwickelte das drahtlose Energieversorgungssystem der Smart Bandage.

Dr. Wagih sagte: „Herkömmliche Batterien sind sperrig, unflexibel und müssen regelmäßig gewechselt werden. Das erschwert den Einsatz in Bandagen, die sich genau an die Körperkonturen des Patienten anpassen müssen, um eine zuverlässige Behandlung über mehrere Stunden hinweg zu gewährleisten.“ Das von uns entwickelte System ist flexibel und kann nahtlos in das Gewebe einer Bandage integriert werden, um die LEDs mit Strom zu versorgen, die UV-C-Licht auf jede Oberfläche abgeben.“

„Wir glauben, dass intelligente Bandagen der Schlüssel zur zukünftigen Gesundheitsversorgung sein werden, aber wir müssen auf ihren ökologischen Fußabdruck achten. Allein in Großbritannien werden jährlich über 40.000 Tonnen Batterien verkauft und weniger als die Hälfte davon wird recycelt. Unsere drahtlose Energietechnologie.“ wird das nachhaltige Wachstum von Wearables im Gesundheitswesen als Alternative zu medikamentenbasierten Behandlungen ermöglichen.“

„Wir werden weiterhin an der Weiterentwicklung der Bandage zusammenarbeiten, um Sensoren zu integrieren, mit denen sich das Fortschreiten von Wunden überwachen lässt, und werden die Technologie in den kommenden Jahren im klinischen Umfeld testen.“

Der intelligente Verband basiert auf einer Technologie, die ursprünglich von Dr. Wagih und seinen Kollegen von der University of Southampton entwickelt wurde. Die Forschung wird in einem zweiten Artikel vorgestellt, der kürzlich in IEEE Transactions on Industrial Electronics veröffentlicht wurde.

Der Artikel demonstriert den ersten Einsatz der drahtlosen Magnetresonanz-Energieübertragung zur Stromversorgung von Standardtextilien mittels Stickerei oder Siebdruck – eine Funktion, die dazu beigetragen hat, die intelligente Bandage zu ermöglichen.

In diesem Fall wurde die Energie einem neu entwickelten flexiblen elektronischen Widerstand aus Silber und Kohlenstoff zugeführt, der in eine Textiloberfläche eingedruckt wurde und als tragbares Heizelement fungierte. Das System konnte auf bis zu 60 °C erhitzt werden, während es 2 cm vom Sender entfernt war, und erreichte einen Wirkungsgrad von über 50 %.

Dr. Wagih sagte: „Heizgeräte sind sehr stromintensiv, sodass batteriebetriebene Heizgeräte dazu neigen, die Batterien sehr schnell zu erschöpfen oder etwas länger nur eine mäßige Wärmemenge bereitzustellen, bevor ein Wechsel erforderlich ist.“

„Dieser Artikel zeigt, wie die drahtlose Hochfrequenz-Magnetresonanz-Energieübertragung genutzt werden kann, um ein effizientes Heizsystem zu betreiben, das in Kleidung eingebaut ist, die gewaschen und wiederverwendet werden kann, was mit herkömmlichen Batterien unmöglich ist.“

„Die Effizienz der Stromabgabe ist doppelt so hoch wie bei früheren tragbaren drahtlosen Stromempfängern, die anderswo entwickelt wurden. Angesichts der Bedeutung energieeffizienter Heizlösungen eröffnet dies neue Möglichkeiten für den Einsatz in medizinischen Anwendungen, beheizter Kleidung, die bei kalten Bedingungen getragen werden könnte, usw.“ mehr."

Mehr Informationen: Irfan Ullah et al., Wirelessly Powered Drug-Free and Anti-Infective Smart Bandage for Chronic Wound Care, IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems (2023). DOI: 10.1109/TBCAS.2023.3277318

Mahmoud Wagih et al., Ein tragbares, vollständig bedrucktes, textilbasiertes drahtloses Energieübertragungssystem mit 6,78 MHz und 15 W Leistung und seine siebgedruckte Joule-Heizanwendung, IEEE Transactions on Industrial Electronics (2023). DOI: 10.1109/TIE.2023.3277112