Aufmalbare Elektroden messen EKG und Hirnströme

Über zwölf Stunden lang zeichneten aufgemalte Elektroden den Herzrhythmus einer Testperson auf, während sie trainierte, schwitzte und ihren Arm bewegte, ohne sich abzulösen. Ein Team der Pennsylvania State University hat zusammen mit Forschenden des MIT und des Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology eine leitfähige Polymerfarbe entwickelt, die sich mit einem normalen Pinsel auf die Haut auftragen lässt und dabei gleichzeitig EKG-Signale, Muskelaktivität und Hirnwellen erfasst. Die Ergebnisse erschienen am 13. Juli 2026 in den Proceedings of the National Academy of Sciences.

Was Elektrodentattoos von Klinikpflastern unterscheidet

Herkömmliche EKG-Elektroden kleben als Gel-Einwegpflaster auf der Haut. Das Gel überbrückt die Kontaktwiderstände zwischen Elektrode und Hautoberfläche. Es trocknet jedoch innerhalb von Stunden aus, was die Signalqualität verschlechtert. Bei körperlicher Aktivität lösen sich die Pflaster häufig ab. Für Langzeitmonitoring oder für Kinder, die Pflaster verweigern, ist das unpraktisch.

Smartwatches wie die Apple Watch bieten zwar Einkanal-EKG, sind aber auf das Handgelenk beschränkt und können keine Hirnwellen oder feingranulare Muskelaktivität messen. Flexible Elektronen-Patches früherer Forschungsgenerationen, etwa die Systeme der Epidermal Electronics der Gruppe um John Rogers an der Northwestern University, erforderten Labortransferverfahren zur Herstellung und ließen sich nicht mit einem Pinsel individuell auftragen.

Die Lösung des Penn-State-Teams setzt auf eine wasserbasierte Polymermischung mit sauren Zusatzstoffen. Laut der PNAS-Publikation trocknet die Farbe ohne Hilfsmittel in weniger als zehn Minuten auf der Haut, mit einem Haartrockner deutlich schneller. Ein dehnbares Silberfasergewebe verbindet die aufgemalte Elektrode anschließend drahtlos oder kabelgebunden mit einem Aufnahmegerät. Dieses Gewebe dehnt sich laut Studie bis zu 150 Prozent seiner ursprünglichen Länge, ohne zu reißen, sodass die elektrische Verbindung auch bei Armbewegungen und Handbewegungen stabil bleibt.

PEDOT:PSS als leitfähiger Kern

Die Leitfähigkeit erzeugen die Forschenden durch PEDOT:PSS, Kurzform für Poly(3,4-ethylendioxythiophen):Poly(styrolsulfonat). Das Polymer ist in der Materialforschung bekannt aus flexiblen organischen Solarzellen und Bildschirmen. Es gilt als biokompatibel und hat sich in früheren medizinischen Materialstudien als hautverträglich erwiesen.

Für die Farbgestaltung lassen sich laut Pressemitteilung der Penn State University handelsübliche Lebensmittelfarben beimischen, ohne die Leitfähigkeit zu beeinträchtigen. Professor Huanyu Cheng, der die Forschungsgruppe leitete, erklärte dazu: "The ink itself almost behaves like face paint. It starts out almost transparent, but you can use food dye." Das öffnet die Technologie für einen Aspekt, der in klinischen Studien oft unterschätzt wird: die Akzeptanz bei Kindern. Kinder, die medizinische Pflaster verweigern, könnten ein buntes Motiv an einer beliebigen Körperstelle tolerieren.

Erste Autorin der Studie ist Wanqing Zhang, Doktorandin in der Abteilung Engineering Science and Mechanics der Penn State University. Die Forschungsgruppe hat für die Farbe ein vorläufiges Patent angemeldet.

EKG, Hirnwellen und Roboterarmsteuerung

Im Rahmen der Studie testeten die Forschenden drei Anwendungsklassen. Für das EKG-Monitoring trugen Teilnehmende die Farbe am Oberkörper auf und führten anschließend Alltagsaktivitäten und eine Sporteinheit durch. Die Elektroden blieben über zwölf Stunden haften und lieferten nach Angaben der Universität eine Signalqualität, die mit handelsüblichen Gel-Elektroden vergleichbar ist.

Für die Hirnwellenmessung wurden die Elektroden an der Kopfhaut aufgetragen, was mit festen EEG-Helmen bisher umständlich und teuer ist. Flexible aufmalbare Elektroden könnten die Schwelle für ambulante Hirnaktivitätsmessung deutlich senken, etwa für Langzeitmonitoring bei Epilepsie.

Am eindrücklichsten ist die Demonstration zur Prothesensteuerung: Die Forschenden trugen die Farbe auf dem Unterarm einer Testperson auf und ließen diese verschiedene Handbewegungen ausführen. Die Muskelaktionspotenziale, die dabei entstanden, wertete ein Computersystem in Echtzeit aus und übersetzte sie in Steuerbefehle für eine robotische Prothese. Bestehende EMG-basierte Prothesensysteme nutzen feste Elektroden am Stumpf, die nur an vordefinierten Punkten messen können. Aufmalbare Elektroden ließen sich in beliebigen Mustern platzieren, um mehr Muskelgruppen zu erfassen und damit eine feinere Steuerung zu ermöglichen.

Eine Tintenflasche reicht laut Penn State für mehrere Elektroden über mehrere Tage bis zu einer Woche. Die Farbe lässt sich mit Wasser abwaschen und danach erneut auftragen.

Bis zur Klinik fehlen Langzeitstudien

Trotz der überzeugenden Laborergebnisse sind mehrere Schritte nötig, bevor die Technologie in der klinischen Diagnostik einsetzbar ist. Zunächst fehlen Langzeitstudien zur Hautverträglichkeit bei täglicher Nutzung über Wochen, da PEDOT:PSS zwar als biokompatibel gilt, aber systematische Daten für kontinuierlichen Hautkontakt in diesem Format noch ausstehen.

Für den diagnostischen Einsatz am Menschen muss die Elektrode außerdem als Medizinprodukt zugelassen werden, in den USA durch die FDA, in Europa durch die CE-Kennzeichnung nach der Medizinprodukteverordnung MDR. Diese Zulassungsverfahren dauern typischerweise drei bis sieben Jahre für neue Sensorklassen.

Für Forschungslabore ist die Technologie bereits jetzt nutzbar. Wann sie als kommerzielles Produkt erhältlich sein wird, hat die Penn State University nicht kommuniziert.