Projekte im Anti-Corona-Programm am Fraunhofer IST

Die Corona-Pandemie stellt Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor große Herausforderungen. Gemeinsames Ziel ist es, so schnell wie möglich einen Weg aus der Krise zu finden, wobei der Schutz der Menschen die oberste Priorität hat. Auch die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST aus Braunschweig leisten mit ihren Entwicklungen einen wichtigen Beitrag, aktivieren ihre Netzwerke, entwickeln Projektideen und unterstützen Wirtschaft und Gesellschaft bei der Bewältigung direkter Auswirkungen und späterer Folgen. Einige Projekte werden dabei direkt von der Fraunhofer-Gesellschaft im Rahmen des zentralen Aktionsprogramms »Fraunhofer vs. Corona« mit internen Mitteln gefördert. 

Die folgenden Projekte geben einen Überblick über die aktuellen Aktivitäten des Fraunhofer IST zum Thema Corona:

In Krisen- und Katastrophenfällen wie der aktuellen Corona-Pandemie können mobile, dezentral einsetzbare Systeme für die medizinische Versorgung der Bevölkerung eine entscheidende Ergänzung der bestehenden Gesundheitsinfrastruktur sein. In dem Projekt »Demo-medVer« entwickeln sechs Institute der Fraunhofer-Gesellschaft ein integriertes System einer mobilen, dezentralen medizinischen Versorgung. Das Besondere: Sämtliche Komponenten des Gesamtsystems sind modular aufgebaut, eng miteinander verbunden und sie ergänzen sich gegenseitig. Die modulare Bauweise ist standardisierbar, was das System flexibel einsetzbar und schnell auf- und abbaubar macht. Vor allem können die einzelnen Komponenten des System-Baukastens individuell an verschiedene Anforderungen angepasst werden: Je nach Einsatzland (Industrie-, Schwellen- oder Entwicklungsland), Einsatzgrund (Pandemie, Umweltkatastrophe, Unwetterkatastrophe) oder Krisenbewältiger, wie zum Beispiel THW, Feuerwehr, Rettungsdienst, Ärzte ohne Grenzen, Allgemeine Medizinische Versorgung, und der vorhandenen Infrastruktur (Strom, Wasser, Gas, Wärme) werden Technologien wie die Herstellung von Desinfektionsmitteln oder Wasseraufbereitung und Ausstattungskomponenten, z. B. ein Intensivkrankenzimmer, maßgeschneidert kombiniert. 

Desinfektion und Sterilisation

Das Fraunhofer IST arbeitet im Projekt »Demo-medVer« an den Teilaspekten Desinfektion und Sterilisation im Rahmen der Projekte »MATSE« und »OzoSter«. Basierend auf den Erfahrungen bei der dezentralen und autonomen Wasseraufbereitung, unter anderem in südafrikanischen Ländern und der Herstellung von Desinfektionsmitteln mittels Diamantelektroden, entwickelt das Institut ein Diamantelektroden-basiertes System zur Flächendesinfektion mittels Hypochlorit mit dem Ziel der Bereitstellung einer mobilen, autarken Testplattform zum Einsatz in Schwellen- und Entwicklungsländern. Darüber hinaus beschäftigt sich das IST mit der Erarbeitung eines Elektroden- bzw. Plasma-basierten Sprühsystems, das ebenfalls mobil und autark zur Sterilisation von Oberflächen mittels ozoniertem Wasser angewendet werden kann.

Projektpartner: Fraunhofer IFF (Projektkoordination), Fraunhofer ICT, Fraunhofer IFAM/IFAM-DD, Fraunhofer IGB, Fraunhofer ISE

Projektstart: September 2020

Ansprechpartner: Frank Neumann, Kristina Lachmann, Lothar Schäfer

Für die Bewältigung der Corona-Krise sowie des zu erwartenden »New Normal« ist es essentiell, die Ansteckungsgefahr durch infizierte Personen zu minimieren. Kontaktinfektionen, verursacht durch die Berührung kontaminierter Oberflächen, stellen dabei einen relevanten Übertragungsweg dar. Im Projekt »Mobile Desinfektion«, kurz: MobDi, entwickeln zwölf Fraunhofer-Institute bzw. -Zentren Technologien für mobile Desinfektionsroboter, die potenziell kontaminierte Oberflächen wie Türgriffe und Lichtschalter zielgerichtet, effizient und schonend desinfizieren. Die Roboter erkennen, aus welchem Material ein zu reinigendes Objekt besteht und wie stark es verschmutzt ist. Entsprechend diesen Informationen wählen die Roboter die Desinfektionsmethode. Dazu werden im Projekt Werkzeuge z. B. für die Desinfektion durch Wischen, Sprühen, UV oder Plasma sowie ein Werkzeugwechselsystem entwickelt und die Technologien in öffentlichen Gebäuden und in Fahrzeugen des ÖPNV getestet. Außerdem entsteht ein Roboter für den flexiblen, hygienegerechten Materialtransport in Kliniken.

Die Kernaufgabe des Fraunhofer IST in diesem Projekt ist die Entwicklung eines modularen Plasmasystems, das bei Atmosphärendruck arbeitet und das in mobile Desinfektionsroboter integriert werden kann. Weitere Schwerpunkte sind die Optimierung der Effizienz des Desinfektionsprozesses und die Bewertung der Schädigung der Oberflächen durch die unterschiedlichen Reinigungsverfahren, um die Reinigung möglichst effektiv und gleichzeitig materialschonend zu gestalten.

Projektpartner: Fraunhofer IPA (Projektkoordination), Fraunhofer IMW, Fraunhofer IOSB, Fraunhofer IFAM, Fraunhofer FEP, Fraunhofer IOF, Fraunhofer IWS, Fraunhofer IPM, Fraunhofer ILT, Fraunhofer IVV, Fraunhofer Italia

Projektstart: Oktober 2020

Ansprechpartner: Michael Thomas, Kristina Lachmann

Zu Beginn der Corona-Pandemie fehlte es an geeigneter Schutzkleidung und insbesondere Atemschutzmasken der Klassifizierung FFP2 und FFP3 in ausreichender Zahl für medizinisches Personal und Pflegekräfte. Darüber hinaus sind die Preise im Verlauf der Pandemie entsprechend stark gestiegen.

Eine nachhaltige Möglichkeit, dieser Knappheit entgegenzuwirken und gleichzeitig Kosten zu senken, besteht darin, Masken über eine Wasserstoffperoxid-Sterilisation in Kombination mit einem Plasmaprozess zu sterilisieren, und damit eine mehrfache Wiederverwendung zu ermöglichen. Eine wichtige Voraussetzung sind dabei geeignete Testverfahren, mit denen sich nicht nur Sterilisationseffekte, sondern auch die Partikeldurchlässigkeit und die Dichtigkeit des Materials nach einer Sterilisation valide und reproduzierbar überprüfen lassen.

Gemeinsam mit dem Städtischen Klinikum Braunschweig verfolgt das Fraunhofer IST diesen Ansatz der Möglichkeit einer sicheren Mehrfachverwendung von FFP2-Masken und hat das Projekt »ReUse-FFP2« gestartet, um dieses Vorgehen weiterzuentwickeln und die Ergebnisse zu validieren.

Projektstart: Mai 2020

Ansprechpartner: Dr. Kristina Lachmann

Der bisher zuverlässigste Nachweis für das SARS-CoV-2 Virus erfolgt über Abstriche aus dem Mund-, Nasen- oder Rachenraum. Hierfür wird die »Real-time Reverse Transkriptase Polymerase-Kettenreaktion« (engl. RT-PCR) herangezogen. Mithilfe der sogenannten Ultra-Fast-PCR lässt sich das Virus in deutlich kürzerer Zeit nachweisen. Dieses schnelle System ermöglichst fast 23.000 Tests an einem Tag, während die diagnostische Kapazität des Standard RT-PCR Systems auf etwa 100 Tests pro Tag beschränkt ist. Dabei werden folienbasierte Systeme eingesetzt, in denen minimale Flüssigkeitsmengen in kleinen Näpfchen vorliegen. Aufgrund der mangelnden Benetzbarkeit der Folienoberfläche ist das Auslesen des Tests jedoch sehr fehleranfällig, da sich in Form und Größe sehr unterschiedliche eher halbmondförmige Spots ausbilden. Um die Reproduzierbarkeit und die Zuverlässigkeit über eine vollständige Ausleuchtung des Spots zu erreichen, sollen im Rahmen des Projekts »Surfaces4PCR« durch eine Strukturierung der Oberfläche in Kombination mit einer ortsselektiven Funktionalisierung die Folien vollständig und dauerhaft benetzbar werden.

In Zusammenarbeit mit dem Städtischen Klinikum Braunschweig sollen diese modifizierten Folien direkt an dem dort vorhandenen Ultra Fast RT-PCR System getestet und optimiert werden.

Projektpartner: Städtisches Klinikum Braunschweig 

Projektstart: Juli 2020

Ansprechpartner: Dr. Kristina Lachmann

Patienten mit einem schweren Verlauf einer COVID-19-Erkrankung, die in den meisten Fällen mit einer Lungenentzündung einhergeht, müssen oft beatmet werden, nicht-invasiv oder auch auf der Intensivstation. Um eine optimale Behandlung zu gewährleisten und um festzustellen, ab wann eine künstliche Beatmung notwendig wird und wie lange eine nichtinvasive Beatmung noch ausreicht, ist eine zuverlässige Überwachung der Atmung notwendig. Die betroffenen Patienten und auch das medizinische Personal sollten möglichst vor einer Virusinfektion geschützt werden. Ein intelligenter Virenfilter, der sowohl bei der nicht-invasiven als auch bei der invasiven Beatmung eingesetzt werden kann, soll diesen Schutz ermöglichen. Eine wichtige Messgröße ist hierbei neben dem Atemfluss auch der Druck. Das Fraunhofer IST entwickelt Dünnschichtsensoren zur Druckmessung. Diese sind kostengünstig in der Herstellung und lassen sich gut integrieren, sodass die Dünnschichtsensorik hier Ansatzpunkte für vereinfachte Lösungen bieten kann. In dem Projekt »Filter4Flow« entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Fraunhofer-Institute IIS, ITEM und IST in Kooperation mit den Firmen Aircontrols und ELK einen solchen smarten Virenfilter – eine neuartige Kombination aus schnellen Sensorelementen zur Atemstrom-, Druck- und Atemgasmessung sowie einem Virenfilter. Hierbei sollen die Signale digitalisiert, schnell und kabellos zu einem Atemsystem oder einer Patientenüberwachungseinrichtung (z. B. App) übertragen werden. Der intelligente Virenfilter soll ein genaues, zuverlässiges und gleichzeitig preisgünstiges Monitoring der Atmung einer hohen Patientenzahl bei gleichzeitiger Filterfunktion zum Infektionsschutz für Patient und Personal ermöglichen und damit Engpässe an Beatmungsplätzen verhindern.

Projektpartner: Fraunhofer ITEM, Fraunhofer IIS, Aircontrols, ELK

Projektstart: Mai 2020

Ansprechpartner: Dr. Michael Thomas

Im Zuge der Corona-Pandemie steigt die Verunsicherung in der Bevölkerung und gleichzeitig der Wunsch nach mehr Schutz vor einer potenziellen Infektion durch den Kontakt mit Oberflächen, mit denen die Menschen im Alltag ständig in Kontakt kommen.

Im Projekt »InVirSchicht« arbeitet das Fraunhofer IST an einer virenabtötenden Beschichtung als Alternative zu einer Wischdesinfektion. Die Anforderungen an eine solche Beschichtung für Gegenstände wie Griffe am Einkaufswagen, Haltestangen in Bus und Bahn oder Türgriffe von Geschäften und Arztpraxen gehen in zwei Richtungen: einerseits muss sie eine langanhaltende virentötende Wirkung aufweisen und gleichzeitig darf sie sich im täglichen Gebrauch nicht abnutzen. Sie muss zudem wirtschaftlich herstellbar und über entsprechende Verfahren in bestehende Herstellungsprozesse integrierbar sein.

Das Fraunhofer IST verfügt über umfangreiche Erfahrung mit der Entwicklung von sehr dünnen verschleißfesten Hartstoffschichten. Durch den Einsatz von antiviralen Zusatzstoffen soll die Entwicklung von Schichtsystemen, die eine virentötende Wirkung besitzen, realisiert werden.

Projektstart: Mai 2020

Ansprechpartner: Dr. Ralf Bandorf

Räume und Flurbereiche in Krankenhäusern, Arztpraxen und Pflegeheimen sind besonders mit Krankheitserregern belastet. Die Ansteckungsgefahr von medizinischem Personal und Patienten ist hier extrem. Ein mobiles Gerät, das Viren, Bakterien und Pilze in der Raumluft effektiv vernichtet und darüber hinaus die Krankheitserreger auf den im Raum befindlichen Oberflächen reduziert, könnte das Ansteckungsrisiko mindern. Dazu ist das Wissen über die Dynamik von Bioaerosolen von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung wirksamer Maßnahmen zur Dekontamination von Innenräumen und zum Infektionsschutz. 

Die Berechnung der Partikeldynamik ist dabei besonders relevant, da entsprechend der Partikelgrößenverteilung die Deposition erfolgt. Zusammen mit dem Fraunhofer WKI arbeitet das Fraunhofer IST daher an der Berechnung und Simulation der Strömungsdynamik von Bioaerosolen in Innenräumen mit dem Ziel, auf der Basis der Rechenergebnisse die Entwicklung eines geregelten Plasmaluftreinigers zu ermöglichen.

Projektpartner: Fraunhofer WKI

Projektstart: Juni 2020

Ansprechpartner: Dr. Andreas Pflug