Intern elektronik – Brobygning af kløften med guld

Markedet for implantable medicinske enheder vokser støt, drevet af en stigning i kroniske lidelser og stigende forbrugerbevidsthed. Fremdriften understøttes solidt af teknologiske fremskridt, som hjælper med at gøre disse enheder mere effektive, bekvemme og omkostningseffektive. 

Tal antyder, at markedet for implantable medicinske enheder på verdensplan næsten vil fordobles på et årti, fra 105,7 mia. USD i 2023 til 207,0 mia. USD i 2033. I dag vil vi begynde med at se på en af de mest afgørende innovationer inden for dette område i nyere tid, som også er symptomatisk for det blomstrende felt, hvor medicinsk fysiologi møder effektiv elektronik. 

Guldnanotråde og bløde elektroder er klar til at blive forbundet med nervesystemet 

Et team af forskere ved Linköping University har skabt guldnanotråde og udviklet bløde elektroder, der kan fungere på samme måde som menneskelige nerver med hensyn til deres udstrækningsdygtighed, elektrisk ledningsevne og holdbarhed i kroppen. 

Forskere og eksperter ser et enormt potentiale i denne innovation. For det første åbner den nye grænser hvor det kunne være muligt at bruge guld i bløde grænseflader til at forbinde elektronik med nervesystemet til medicinske formål. 

Hvis den anvendes korrekt, kan dette føre til lindring af tilstande så komplekse som epilepsi, Parkinsons sygdom, og lammelse og så udbredte som kronisk smerte. 

I længere tid har forskere verden over været interesserede i at skabe bløde elektroder der ikke beskadiger vævet. Denne specifikke præstation af forskerne fra Linköping University opnåede dette ved at skabe guldnanotråde der var tusind gange tyndere end et hår og indlejret i et elastisk materiale, som kunne fungere som bløde mikroelektroder. 

Klas Tybrandt, mens han uddyber forskningens unikhed og resultater, sagde følgende:

“Vi har formået at fremstille et nyt, bedre nanomateriale af guldnanotråde i kombination med meget blød silikonegummi. At få disse til at fungere sammen har resulteret i en leder med høj elektrisk ledningsevne, som er meget blød og fremstillet af biokompatible materialer, der fungerer med kroppen.”

Skabelse af guldnanotråde: Udfordringer mødt og overvundet

En af de største vanskeligheder, forskerne stod over for, var produktionen af lange, smalle guldnanostrukturer. Forskerne udtænkte en unik metode til at overvinde denne udfordring, og den bestod i at bruge sølvananotråde. Når de forklarede, hvordan denne unikke præstation kunne opnås, sagde Klas Tybrant følgende:

“Da det er muligt at fremstille sølvananotråde, udnytter vi dette og bruger sølvananotråden som en slags skabelon, hvorpå vi dyrker guld. Næste skridt i processen er at fjerne sølvet. Når det er gjort, har vi et materiale, der indeholder over 99 procent guld.”

Oprindeligt kunne forskerne ikke bruge sølv, fordi det er kemisk reaktivt, slides over tid og risikerer at nedbrydes og misfarve. Derudover kan høje koncentrationer af sølv være giftige for den menneskelige krop. Derfor måtte de belægge det med guld.

Med hensyn til materialet, de har udviklet, og dets holdbarhed, mener forskerne, at deres løsning kan holde i mindst tre år og overgår mange tidligere udviklede nanomaterialer.

Snart vil forskerholdet begynde at arbejde på at forfine materialet og skabe forskellige typer af elektroder, som vil være endnu mindre og kunne bringes i tættere kontakt med nerveceller.

Den mangfoldige verden af implantater

Mens nytten af denne forskning allerede er blevet citeret, findes der mange andre implantater tilgængelige i med-tech sektoren. De hjælper med at gøre diagnose og behandling mere konsistent, overkommelig og effektiv. 

For eksempel har forskere ved Georgia Tech University udviklet en implantérbar, bærbar sensor, der overvåger helingen af aneurismer i hjernens blodkar. Da den fungerer uden batterier, kan den vikles omkring stents eller divertere, som er implanteret for at regulere blodgennemstrømning.

Sensoren er fremstillet ved hjælp af aerosol-jet 3D-print, som lægger ledende sølvspor på elastomeriske underlag. Indsat via en kateter, bruger den induktiv kobling af signaler til trådløs detektion af biomimetisk cerebral aneurisme hemodynamik.

Processen involverer tre spoler. En spole opfanger elektromagnetisk energi, der sendes fra en anden spole uden for kroppen. Når blodet strømmer gennem stenten, ændrer den implanterede sensor sin kapacitans, hvilket ændrer signalet, der sendes til en tredje ekstern spole.

I et andet eksempel på lignende arbejde har et hold af ingeniører ved Texas A&M University udviklet en enhed, der bruger grafen og injicerer vekselstrøm i huden for at overvåge blodtryk. 

Kaldet Graphene Electronic Tattoos, disse klæbende grafensensorer kan spore kardiovaskulær sundhed via kontinuerlig overvågning. De kan fortsætte med at arbejde og indsamle relevante data, selv når patienten sover, træner eller oplever højt stressede situationer. 

Forskning er også i gang for at bestemme, hvordan disse implantérbare enheder kan udnytte og anvende energi. For eksempel har et hold af forskere fra Massachusetts Institute of Technology udviklet et batteri, der trækker sin strøm fra glukose. Det nye batteri måler kun 400 nanometer i tykkelse, eller omkring 1/100 af diameteren på et menneskehår. Det genererer omkring 43 mikrowatt per kvadratcentimeter elektricitet og kan modstå temperaturer op til 600 ° C. 

Forskerne brugte et ultratyndt keramisk underlag og en glukoseløsning for at give batteriet fleksibilitet og gøre det nemt at placere i kroppen. 

Mens forskerne arbejder på at komme op med så mange nye og unikke teknologiløsninger som muligt, har nogle virksomheder arbejdet på at gøre effektive implantérbare enheder tilgængelige for masseadoption. I de kommende segmenter vil vi se på et par af sådanne kommercielle løsninger. 

#1. CorTec

Et af de virksomheder, der konsekvent har leveret banebrydende løsninger er CorTec. Som en ISO 13485-virksomhed, udvikler og fremstiller CorTec produkter og komponenter til neuromodulation og aktiv implantatteknologi i sine egne laboratorier og renrumsinfrastruktur. 

CorTecs patenterede sortiment af AirRay-elektroder er nyttige til stimulering og optagelse af nervevævet, og fungerer som de ideelle grænseflader til nervesystemet for medicinske enheder. 

For eksempel giver AirRay‑cuff‑elektroder en elektrisk grænseflade til det perifere nervesystem, mens gitter‑ og strip‑elektroder er designet til at grænseflade med centralnervesystemet. AirRay‑perkutane elektroder er beregnet til subkutan brug samt til optagelse og stimulering af rygmarven. Endelig tilbyder AirRay‑paddle‑elektroder en elektrisk grænseflade til centralnervesystemet, specifikt rettet mod rygmarven.

Udover dette sortiment inkluderer en af CorTecs patenterede løsninger også deres Cortical Electrodes. Disse er CorTecs ECoG‑elektroder til invasiv neuromonitorering. Gennem disse elektroder er det muligt at udføre overvågning af elektriske hjernebølger, hvilket er i overensstemmelse med kravene til lokalisering af epileptogene fokuspunkter eller hjernemapping. Elektroderne kan bruges i maksimalt 29 dage, og det er muligt at forbinde i alt 64 elektroder ved kun to kabler. Elektrodkontakterne er næsten umærkelige og låser sikkert med materialet for at forhindre deres adskillelse fra silikonen.

Et af de mest afgørende aspekter ved CorTecs cortikale elektroder er, at FDA har fundet dem egnet til godkendelse og markedsføring for invasiv neuromonitorering i centralnervesystemet. Produktporteføljen inkluderer alle mulige kontaktarrangementer fra 1×4 til 8×8 elektrodkontakter.

Udover betydelig offentlig finansiering har CorTec, ifølge deres officielle erklæring, rejst fire finansieringsrunder. Deres nuværende investorer inkluderer Mangold Invest, M-Invest, Kfw, High-Tech Gründerfonds, Santo Venture Capital GmbH, LBBW Venture Capital og K & S W Invest. 

Den offentlige finansiering omfatter tilskud fra det tyske Forbundsministerium for Uddannelse og Forskning (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) og Den Europæiske Union.

#2. Atrotech

En anden virksomhed, der i årtier har udført noget nichepræget, men banebrydende arbejde inden for dette område, er Atrotech. Grundlagt i 1984 og beliggende i Technopolis Hermia, Tampere, Finland, opstod Atrotech som resultat af tværfaglige produktidéer, der kombinerede de medicinske og bioingeniørvidenskaber, med hovedfokus på funktionel elektrisk stimulation (FES). 

To af Atrotechs væsentlige bidrag inden for dette felt inkluderer design og fremstilling af implantérbare neurostimulatorer og implantérbare elektroder. 

Ved udformning af elektroderne udnytter virksomheden sine mere end 30 års ekspertise i fremstilling af højkvalitets platin‑kontakt‑elektroder, ledningsledninger og multipol‑ledningsforbindelser. Serviceområdet omfatter forskningsprojekter, kliniske forsøg og kommercielt distribuerede medicinske enheder. 

Virksomheden har en fleksibel produktionsproces, der gør det muligt at fremstille små mængder såvel som større produktionsvolumener hurtigt og omkostningseffektivt. Derudover er virksomheden i kontakt med flere læger og universiteter i de tidlige faser af udviklingen og prototypingen af potentielle nye medicinske enheder.

Et af de studier virksomheden for nylig finansierede havde til formål at vurdere gennemførligheden og sikkerheden af en ny, flytbar, kirurgisk implanteret, midlertidig neurostimuleringsmetode, der involverer den distale del af den freniske nerve. Til studiet udviklede virksomheden en specielt designet, midlertidig frenisk nervestimulator (tPNS) elektrode. 

Et sådant samarbejde mellem specialiserede og industri‑fokuserede virksomheder og en gruppe af forskere og læger spredt over hele verden får fremtiden for intern elektronik til at fremstå lys og klar til at blomstre. 

Den fremtidige bane for intern elektronik

Ifølge en nylig forskning offentliggjort i juli 2024 i tidsskriftet ‘Nature’, har forskere udviklet en implantérbar elektrode baseret på bioresorberbar Mg‑Nd‑Zn‑Zr‑legering, som vil fungere godt i en næste‑generation radiofrekvens (RF) vævs‑svejsningsapplikation.

Elektroden forventes at reducere termisk skade og øge anastomose‑styrken. Designet med forskellige strukturelle funktioner af cylindrisk overflade (CS) og kontinuerlig lang ring (LR) i svejseområdet, blev elektrodenes elektrotermiske simuleringer undersøgt ved hjælp af finittelement‑analyse (FEA).

Resultaterne viste, at den gennemsnitlige temperatur i svejseområdet og andelen af nekrotisk væv blev betydeligt lavere, når en vekselstrøm på 110 V i 10 sekunder blev anvendt på LR‑elektroden. Den maksimale og gennemsnitlige temperatur af væv svejset af LR‑elektroden kunne også reduceres betydeligt, mens anastomose‑styrken af det svejsede væv forbedredes.

Imec, et laboratorium grundlagt i 1984 for at hjælpe og muliggøre, at halvlederindustrien kan skalere funktionelt, har også gjort banebrydende fremskridt inden for nano‑skala implantater. Det har hjulpet med at udvikle minimalt invasive implantater egnet til næste‑generation haptiske proteser. Den prototype‑implantat‑chip, som Imec har udviklet sammen med University of Florida, giver patienter mere intuitiv kontrol over deres arm‑proteser. En af de vigtigste komponenter, den tynde silicium‑chip, er verdens første for elektrod‑densitet og blev udviklet som en del af IMPRESS‑projektet finansieret af DARPA’s HAPTIX‑program for at skabe et lukket‑sløjfe‑system til fremtidens haptiske proteseteknologi.

En af de videnskabelige publikationer om vigtigheden af kulstof‑baseret implantérbar bioelektronik gjorde en væsentlig observation om nytten af intern elektronik. For at citere ordret, observerer publikationen:

“Fordi implantérbar bioelektronik kan opfange kropsinformation eller fremkalde kropsreaktioner i levende væsener fra steder uden for kroppen, bliver de hjælpsomme og lovende behandlingsformer for en række lidelser.”

I fremtiden vil kulstofmaterialer spille en afgørende rolle i fremstillingen af implantérbare medicinske elektronik. Disse fordele omfatter kulstofmaterialers høje biokompatibilitet, træthedsmodstand og lave specifikke vægt. Disse materialer anvendes i et bredt spektrum af anvendelser, herunder lægemiddelleveringsenheder, biosensorer, terapeutiske stimulators og energilagring. Alle disse egenskaber har en rolle i felterne neurologisk, kardiovaskulær, gastrointestinel og locomotorisk system.

Implantérbare aktuatorer, biosensorer, lægemiddelleveringssystemer og strømforsyninger—alle drager fordel af fremskridt inden for området for intern eller implantérbar elektronik. Yderligere fremskridt på dette område vil kræve en mere tværfaglig tilgang, der involverer bioscience‑forskere, materialeforskere og fysikere verden over.

Klik her for en liste over de bedste biotek‑aktier.