11. – 13. Schuljahr

Lorenz Kampschulte, Carolin Enzingmüller, Wilfried Wentorf, Eckhard Quandt, Ilka Parchmann

Medizinische Sensoren entwickeln

Zusammenarbeit verschiedener Disziplinen

Struktur-Eigenschaftsbeziehungen hören nicht bei chemisch-physikalischen Grundlagen auf. Zahlreiche Produkte unserer heutigen Zeit basieren auf kreativen Ideen und erfolgreichen Kooperationen verschiedener Wissenschaftsdisziplinen, etwa auf einer Verknüpfung aus naturwissenschaftlichen Grundlagen und informatorischen wie auch ingenieurswissenschaftlichen Anwendungen.
Nachfolgend wird am Beispiel der Entwicklung neuer, hochempfindlicher Magnetsensoren aufgezeigt, wie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Medizin, der Materialwissenschaft, der Elektrotechnik und Elektronik sowie der Chemie und Physik zusammenarbeiten. Zur Funktionalisierung von Sensormaterialien und Sensoren werden sowohl geeignete Materialien und Messprinzipien als auch Trägersysteme, Signalverarbeitungsprozesse u.a.m. benötigt. Somit sind fachliche Kenntnisse aus verschiedenen Disziplinen notwendig.
In der Schule kann die Zusammenarbeit verschiedener wissenschaftlicher Disziplinen z.B. in Form eines Planspiels in der Profiloberstufe oder im Wahlpflichtbereich der Sekundarstufe I anschaulich gemacht werden. Das Thema Magnetismus ist ein Standardthema des Physikunterrichts, in der Chemie wird es jedoch i.d.R. erst an der Universität behandelt. Die materialwissenschaftlichen Eigenschaften der Sensoren, etwa mechanische Verformungen und damit verbundene piezoelektrische Eigenschaften können jedoch exemplarisch schon in der Schule thematisiert werden. Aus Sicht der Biologie können Prozesse der Signalverarbeitung an Nerven eingebracht werden, mit Verweis auf die spätere medizinische Anwendung. Schließlich können Fächer wie Wirtschaft/Politik integriert werden, um Aspekte wie Kosten, Strukturen des Gesundheitssystems o.Ä. in die Diskussion einzubinden. Da die experimentelle Forschung auf diesem hoch aktuellen Gebiet in der Schule nicht unmittelbar umgesetzt werden kann, können alternativ z.B. Modellsensoren nachgebaut oder Rechercheaufträge und simulierte Expertengespräche („Welche Sensorentwicklung sollte gefördert werden?) mit Blick auf die Kompetenzbereiche Kommunikation und Bewerten realisiert werden. Eine entsprechende Einheit auf Basis des Konzepts „Planspiels Wissenschaft [1] wird aktuell im Rahmen des fachdidaktischen Teilprojekts des Sonderforschungsbereichs 1261 entwickelt. Weitere Informationen sind zugänglich über die Webseite [2].
Bedeutung von Sensoren
Im internationalen Vergleich gehört die deutsche Bevölkerung zu den ältesten. Das Durchschnittsalter lag 2017 bei 47,1 Jahren, weltweit dagegen bei 30,7 Jahren [3]. Mit zunehmendem Alter steigt auch der Bedarf an medizinischer Versorgung, was zu einem weiterhin starken Wachstum des Gesundheitssektors führen wird. Dabei spielen medizintechnische Diagnosesysteme zunehmend eine wichtigere Rolle, sowohl im klinischen Bereich als auch im rasant wachsenden Bereich der Versorgung im Alltag und zu Hause. Gerade der Einsatz von mobilen Systemen, etwa zur Langzeitüberwachung der Herzfunktion, ermöglicht hier ganz neue diagnostische Ansätze.
Der Weg, bis so ein neues System produktiv bei Patienten eingesetzt werden kann, ist lang: Von der ersten erfolgreichen Messung im Labor bis zum fertigen Diagnosesystem kann es durchaus zehn und mehr Jahre dauern. In dieser Zeit arbeiten Menschen aus ganz unterschiedlichen Wissenschaftsdisziplinen eng zusammen, um aus der ersten Messung unter Laborbedingungen ein System zu entwickeln, das am Ende im medizinischen Alltag nutzbar ist und für den Anwender relevante, interpretierbare Ergebnisse liefert. Diese hochgradig interdisziplinäre Zusammenarbeit ist der Schlüssel zum Erfolg in der heutigen Wissenschaft und auch in der Entwicklung komplexer technischer Systeme.
Eines der Ziele des an den Kieler Sonderforschungsbereich 1261 „Biomagnetic Sensing...

Weiterlesen im Heft

Vorteile im Abo

Exklusiver Online-Zugriff auf die digitalen Ausgaben der abonnierten Zeitschrift
Print-Ausgabe der abonnierten Zeitschrift bequem nach Hause
Zusatzvorteile für Abonnenten im Online-Shop genießen