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PRONTO entwickelt Mikrosysteme für und mit Unternehmen

Die Produktionsplattform PRONTO, ein Projekt des Spitzenclusters MicroTEC Südwest, realisiert seit 2010 innovative Mikrosystemtechnik-Anwendungen, wie sie auch in der Medizintechnik zum Einsatz kommen. Im Auftrag eines Kunden können hier Mikrosysteme bis hin zur Kleinserienproduktion entwickelt werden. Dabei stehen dem Kunden für die verschiedenen Problemstellungen bei der Entwicklung und Produktion die Kompetenzen und die Infrastruktur von vier Instituten zur Verfügung.

Der subretinale Mikrochip ist an der Hinterseite des Auges angebracht und misst nur 3 x 3 mm. Winzige Fotosensoren auf dem Chip erfassen die Verteilung der Helligkeit, worauf elektronische Schaltungen angesteuert werden, die die Nervenzellen der Netzhaut mit entsprechenden Intensitäten elektrisch anregen. Diese Impulse werden über den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet, welches dann die Signale in ein Bild umwandelt. © Retina Implant AG

Bei Automobilzulieferern, in der Medizintechnik oder dem Informations- und Kommunikationssektor, überall ist Mikrosystemtechnik im Einsatz. Hierbei handelt es sich um winzige Systeme im Mikrometermaßstab, die mit ihrer Umwelt in Wechselwirkung stehen. Ein System besteht in der Regel aus einer Leiterplatte mit eingebetteter Elektronik und einem Chip, der das Signal eines integrierten Sensors bewertet und daraufhin einen Aktor ansteuert, der eine Reaktion ermöglicht. So registriert ein Lagesensor in einem herunterfallenden Laptop den Sturz, der Chip des Mikrosystems wertet das Signal aus und veranlasst das blitzschnelle Ausschalten des Geräts.

Ein komplexeres Beispiel für eine Mikrosystem-Entwicklung: ein subretinales Implantat, das blinden Menschen - bei einer Degeneration der fotosensitiven Zellen in der Netzhaut - eine teilweise Wiederherstellung des Sehvermögens ermöglicht. "Das Implantat wird heute schon innerhalb einer Studie bei einigen Patienten eingesetzt und wurde damals durch das Mitwirken zweier heutiger PRONTO-Mitglieder realisiert", erzählt Dr. Christine Harendt - Abteilungsleiterin und PRONTO-Beauftragte des Instituts für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS).

„Durch Kooperationen wie diese wurde die Notwendigkeit vereinfachterer Abläufe bei der Abstimmung zwischen den Instituten deutlich, woraufhin sich ursprünglich drei Institute mit Kernkompetenz in der Mikrosystemtechnik zu PRONTO zusammenschlossen - das IMS CHIPS und zwei Institute der Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung: HSG-IMIT und HSG-IMAT“, erzählt Harendt. PRONTO wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und dem Land Baden-Württemberg unterstützt und hat sich zur Aufgabe gesetzt, Kunden die Entwicklung komplexer Mikrosysteme durch Bereitstellung von Expertenwissen und der nötigen Geräte zu ermöglichen.

PRONTO bietet KMU umfassende Erfahrung in der Produktion von Mikrosystemen

Dr. Christine Harendt beschäftigt sich seit 1988 am IMS CHIPS in Stuttgart mit Mikrosystemtechnik. Als Abteilungsleiterin im Bereich der Add-on-Prozesse vertritt sie auch die Kompetenzen ihres Instituts als Beauftrage für PRONTO. © privat

Das IMS CHIPS bietet unter anderem umfassende Erfahrungen im Bereich Chip-Elektronik und bildgebende Sensorik, wie sie im Fall des Retina-Implantats verwendet wurde. Das Institut für Mikroaufbautechnik (HSG-IMAT) in Stuttgart ist der Spezialist für Aufbautechnik, also die Konstruktion und Umsetzung des Aufbaus der Mikrosysteme, wobei unterschiedlichste Materialien zum Einsatz kommen können. Das Institut für Mikro- und Informationstechnik (HSG-IMIT) in Villingen-Schwenningen versteht sich besonders auf Mikrosysteme, in denen mechanische Vorgänge durch elektrische Antriebe erzeugt werden, und mikrofluidische Systeme. Hier hat dieses Institut weitreichende Erfahrung mit Anwendungen wie der Lab-on-a-Chip-Diagnostik. Dabei reichen kleinste Mengen einer Flüssigkeitsprobe für einen Test aus, da diese durch Kapillarkräfte in winzige Reaktionskammern gezogen wird und dort automatisch analysiert werden kann.

Seit Mai 2014 erweitert das NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen das Kompetenzspektrum der Plattform durch Entwicklungs- und Produktionserfahrung von Mikroelektroden-Arrays mit mikrofluidischen Systemen. Außerdem bringt das NMI eine wertvolle Expertise im Bereich biostabiler und biokompatibler Materialien ein. „Das NMI ergänzt PRONTO neben der Expertise im medizinischen Bereich und seiner analytischen Kompetenz auch mit Ausgründungs-Erfahrung, wodurch der Transfer unserer Entwicklungen in Produkte von KMUs kompetent unterstützt werden kann“, erläutert Harendt.

„Das Spannende an der Mikrosystemtechnik: so viele Anwendungsbereiche!“

„Bei Mikrosystemen erstaunt mich immer wieder, dass man auf so viele Anwendungsmöglichkeiten im ersten Moment gar nicht kommt, bis man danach gefragt wird“, erzählt die studierte Chemikerin. „Daher sind unsere Kunden in der Regel KMUs, die schon eine bestimmte Mikrosystem-Anwendung als Produkt im Blick haben und bei der Ausarbeitung Unterstützung brauchen“, beschreibt Harendt die Zielgruppe der Plattform.

„Bei einer Kundenanfrage prüfen wir zuerst das Anliegen und identifizieren den kompetentesten Ansprechpartner. Bei einem Mikrosystem mit Anwendung in der Medizintechnik würden wir zum Beispiel das NMI als Ansprechpartner mit der meisten Erfahrung auf diesem Gebiet vorschlagen“, so Harendt. „In einem Vorgespräch werden dann erste Fragen geklärt wie: Wie ist der Stand der Technik und wo liegen die Möglichkeiten? Im zweiten Schritt wird geschaut, was neu entwickelt werden müsste und was die PRONTO-Institute an Prozessen und Strukturen schon in der Schublade haben - sodass womöglich schon einige Entwicklungsschritte gespart werden können und man schon näher am Produkt ist als gedacht. Danach kann man eine Kostenabschätzung erstellen und gemeinsame Meilensteine festlegen. Abhängig von den nötigen Vorentwicklungen kann sich auch ein gefördertes Entwicklungsprojekt ergeben oder es läuft auf einen Auftrag an PRONTO hinaus, um am Ende einen Prototypen oder eine Kleinserie zu realisieren“, erläutert Harendt den Ablauf. „Für reine Grundlagenforschung wären wir allerdings nicht der richtige Ansprechpartner, da hier der Bezug zur Anwendung meist noch fehlt“, grenzt Harendt den Einsatz von PRONTO ab.

„Unsere Institute ergänzen sich optimal entlang der Wertschöpfungskette - mit einzelnen Fertigungsschritten, die verteilt an den jeweiligen Einrichtungen stattfinden - bis zum fertigen Prototypen und eventuell einer Kleinserienproduktion. So wird eine verteilte Fertigungskette zwischen den beteiligten Instituten etabliert, deren Abstimmung durch jedes weitere Projekt besser funktioniert und es entstehen immer detaillierter ausgearbeitete Prozessprotokolle. Hierdurch können zum Beispiel Übergaben zwischen den Kooperationspartnern schnell und unbürokratisch vollzogen werden. Diese intensivierte Vernetzung der Institute untereinander durch laufende Projekte war von Anfang an Ziel beim Aufbau der Plattform“, meint Harendt. „Durch die engere und auch persönliche Zusammenarbeit ist jedem klar, welche Kompetenzen bei welchem Partner liegen und welche Technologien und analytischen Methoden in welchem Institut zur Verfügung stehen. Das und die regionale Nähe unserer Institute vereinfacht erheblich die Projektkoordination“, erläutert sie weiter.

Projektideen mit Innovationscharakter werden durch verteilte Fertigung als Produkt realisiert

PRONTO-Projekt: Ultimum. Hier werden Mikrochips entwickelt, die durch eine flexible Leiterplatte und Elektronik so beweglich sind, dass sie sich Bewegungen anpassen können. © Robert Bosch GmbH

Zurzeit betreut PRONTO sieben Projekte, die in den unterschiedlichsten Bereichen Anwendung finden können. Innerhalb einer Kooperation mit PRONTO können KMU auf schon vorhandene Produktionsprozesse sowie Ausstattung, Personal und Expertise der beteiligten Institute zurückgreifen und sich so die notwendige Infrastruktur schaffen, um die kostenintensive Innovationsbarriere der „Entwicklung“ abzubauen.

Das erfolgreiche PRONTO-Projekt „Ultimum“ wird gerade verlängert. In Ultimum werden Verfahren entwickelt, die das Einbetten ultradünner Chips mit biegsamer Elektronik in flexible Kunststoff-Leiterplatten erlauben. Hier ist eine Kooperation mit den Leiterplattenspezialisten der Würth Elektronik GmbH & Co. KG und der Robert Bosch GmbH entstanden. Kombiniert man diese Chips mit Biosensoren, sind die Einsatzmöglichkeiten dieser Entwicklung sehr vielfältig, zum Beispiel als Pflaster im Bereich der Medizintechnik. In einem weiteren Projekt des Spitzenclusters MicroTEC Südwest sollen die von PRONTO entwickelten biegsamen Elemente einem intelligenten Implantat die nötige Flexibilität verschaffen. Das NMI wird sich mit der Biokompatibilität des „SMART IMPLANT“ beschäftigen. So könnte bei erfolgreichem Abschluss ein gehäusefreies Hirn-Implantat produziert und der Grundstein für weitere, intelligente Mikroimplantate für die Diagnose oder Therapie gelegt werden.

Die beteiligten Institute sind von ihrem Konzept überzeugt und wollen durch weitere Aufträge und Projekte die Nachhaltigkeit von PRONTO sichern. „Die Institute werden PRONTO auch nach der Förderphase weitertragen. Durch unser breit aufgestelltes Portfolio und unsere Erfahrung können wir ein sehr großes Feld an mikrosystemtechnischen Problemstellungen bedienen und sind gespannt, welche Herausforderungen uns in Zukunft gestellt werden“, erklärt Harendt noch einmal.

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