Ny ultralydsteknologi driver medicinske implantater trådløst

Udfordringen ved at forsyne avancerede medicinske implantater med strøm

At forbedre den menneskelige krop eller erstatte defekte dele har været medicinens mål så langt tilbage som den første primitive protese i antikken. Efterhånden som mekaniske komponenter bliver mere komplekse, er idéen om at erstatte kropsdele blevet stadig mere populær blandt science fiction-entusiaster, hvilket førte til forestillingen om cyborger, mennesker der ville være halvt menneske, halvt maskine.

I en vis grad kan man argumentere for, at dette allerede sker, med operationer som pacemaker-implantater eller hofteoperationer, der rutinemæssigt udføres og supplerer problemer i hjertemusklen eller patientens led, ved at forbedre dem med metalliske implantater.

Efterhånden som neurale implantater og andre avancerede medicinske implantater bliver en sandsynlig realitet i det kommende årti, kommer vi faktisk tættere på end nogensinde på at skabe ægte cybernetiske kroppe.

Der er dog stadig et tilbagevendende problem for de fleste medicinske implantater: strømforsyningen. Pacemakere nøjes med meget små batterier, fordi de kun har brug for meget begrænsede strømstyrker. Men implantater som neurale chips vil sandsynligvis kræve meget mere energi.

Traditionelle trådløse opladningsmetoder, såsom elektromagnetisk induktion og radiobølgebaserede systemer, der almindeligt anvendes i smartphones og øretelefoner, står over for flere udfordringer.

De kan være sårbare over for problemer som korte transmissionsafstande, lav energieffektivitet i biologisk væv og modtagelighed over for elektromagnetisk interferens.

En anden metode kan blive mulig, ifølge arbejdet fra forskere ved Korea University, Korea Institute of Science and Technology (KIST), Sungkyunkwan University (SKKU – Sydkorea), Yonsei University (Sydkorea) og University of California.

De udviklede en metode til at genoplade medicinske enheder trådløst ved hjælp af ultralyd i stedet. De offentliggjorde deres opdagelse i Advanced Materials¹ under titlen “A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging”.

Hvorfor trådløs energi har svært ved at trænge ind i menneskeligt væv

Elektroniske implanterbare medicinske enheder (IMD’er) anvendes i terapeutiske behandlinger af sygdomme eller skader, såsom neurostimuleringsterapi og kardiovaskulær helbredelse/overvågning.

De kræver regelmæssig kirurgi for batteriskift, hvilket kan føre til patientkomplikationer såsom infektioner på operationsstedet, biofilmdannelse og høje sundhedsudgifter.

Nogle metoder forsøger at udnytte den omgivende energi i kroppen, såsom blodsukker, til at drive disse enheder.

For visse anvendelser gør strømkravene sådanne muligheder urealistiske. For fremtidige anvendelser som neurale implantater er dette endnu mindre sandsynligt, hvilket ville gøre dem meget invasive.

Fjernoverførsel af energi med elektromagnetiske eller radiobølgesystemer trænger dårligt ind i biologisk væv og kan forårsage uønskede bivirkninger.

Fotovoltaisk trådløs energioverførsel er også uegnet på grund af problemer med lav lysgennemtrængning i væv og termisk vævsskade.

I modsætning hertil tolereres ultralyd godt af biologisk væv og kan trænge dybt ind uden at forårsage skade, hvilket er grunden til, at den rutinemæssigt anvendes til diagnostiske formål, også på gravide kvinder.

Hvordan ultralyd muliggør trådløs opladning af implantater

Takket være sin lange historie inden for diagnostik drager ultralyd allerede fordel af en stor mængde medicinske studier og normer, der fastlægger sikre energiniveauer for ultralyd (FDA definerer dette som maksimalt 0,72 W per kvadratcentimeter).

To typer af enheder kan omdanne ultralyd til elektricitet: piezoelektriske (US-PENGs) og triboelektriske nanogeneratorer (US-TENGs).

US-PENGs er blevet udviklet til at drive elektroniske implantater, men er ofte afhængige af blybaserede piezoelektriske keramik, som ofte er stive og kan udgøre toksicitetsproblemer.

Derfor fokuserede forskerne i stedet på US-TENG-teknologien.

Denne biokompatible dækkede enhed, med en tykkelse på 0,4 mm, opnår en høj ladningstæthed, der er egnet til at drive elektroniske enheder op til ca. 6 cm dybt ved ikke-invasiv ultralydintensitet.

Hvordan det fungerer

Tynde polymerfilm blev brugt til at skabe en fuldt fleksibel US-TENG, med lag af plastmateriale stablet oven på hinanden, herunder akryl eller poly-(methyl methacrylate) (PMMA).

Kilde: Advanced Materials

Perfluoroalkoxyalkaner (PFA) blev brugt for deres triboelektriske egenskaber under mekanisk energi. Et nanoskalalag af elektrode blev aflejret for at bevare de unikke egenskaber af PFA-filmen.

Et robust lag af polyurethan (PU) og polyvinylidenfluorid-trifluoroethylen samt calciumkoboltitanat (P(VDF-TrFE)pol/CCTO) blev også anvendt for at maksimere den elektriske ladningsproduktion.

Kilde: Advanced Materials

Test af det ultralyd-drevne implantat under reelle forhold

Hele enheden blev derefter indkapslet i en polydimetylsiloxan (PDMS) løsning for vandtætning.

Denne fleksible US-TENG blev testet for ydeevne i vand, polymer/hydrogel og svinetvæv.

Den første praktiske anvendelse ville være at integrere denne enhed i en pacemaker, så der ikke længere er behov for ekstra operation for at skifte enhedens batteri.

Kilde: Advanced Materials

Parallelt er biokompatibiliteten af P(VDF-TrFE)/CCTO-kompositten med hensyn til cytotoksicitet og genotoksicitet blevet bekræftet, hvilket verificerer, at den er lige så sikker i praksis som tidligere studier har påstået.

Energiproduktionen blev præcist målt ved hjælp af en laservibrationsmåler, som kontrollerede enhedens vibration. Dette bekræftede en 44 % forbedret gevinst for US-TENG sammenlignet med den sidste version af den lignende teknologikategori.

Kilde: Advanced Materials

Endeligt testede de systemets effektivitet afhængigt af ultralydintensitet, afstand og vinkel på ultralydkilden, for at afgøre om det kunne anvendes under realistiske forhold for en medicinsk enhed i den menneskelige krop.

Det bekræftede, at relativt lav ultralydintensitet, afstand så dyb som 4–8 centimeter (1,5–3 tommer) og et relativt bredt vinkelområde kunne fungere.

Kilde: Advanced Materials

Sikring af fleksibilitet og holdbarhed for medicinske implantater

En anden udfordring for implanterbare medicinske enheder er, at de ideelt set skal være meget fleksible, fordi den menneskelige krop ikke er en robotramme, og organer bevæger sig, især hjertemusklen.

Derfor brugte forskerne ikke kun fleksible materialer, men målte også, om de forblev tilstrækkeligt effektive, når de blev bøjet.

Kilde: Advanced Materials

De fandt, at den mistede en smule energiproduktion, når den blev bøjet i én retning, men endda vandt noget, når den blev bøjet i den anden retning. Stigningen i energiproduktion skyldtes forbedret fangst af ultralydsbølger i den skålformede enhed og øgede bølgkollisioner på enhedens overflade.

Dette demonstrerede alligevel, at enheden kunne bøjes uden at beskadige eller miste sine energigenererende egenskaber.

Gennem denne forskning har vi demonstreret, at trådløs energitransmissionsteknologi ved brug af ultralyd kan anvendes praktisk.

Vi planlægger at udføre yderligere forskning for miniaturisering og kommercialisering for at fremskynde den praktiske anvendelse af teknologien.

Dr. Sunghoon Hur – Forsker ved KIST

Afsluttende tanker: Næste skridt for ultralyd-implantatteknologi

Medicinske enheder, der kan genoplades trådløst, ville være en enorm forbedring for millioner af patienter globalt.

Dette ville også fjerne begrænsningen for mere ambitiøse implantatidéer, som hidtil har været begrænset af manglen på en realistisk energiforsyning, der er tilstrækkelig til at udføre opgaven. Det kunne inkludere implantater, der leverer medicin direkte i blodbanen, overvåger specifikke kemikalier, neurale implantater osv.

Denne implantatteknologi kunne hurtigt implementeres, med kun 0,4 mm tykkelse, høj fleksibilitet, god biokompatibilitet og let fremstilling uden sjældne eksotiske materialer.

Teknologien kunne endda finde anvendelser ud over medicinske enheder, da den lige så let kan bruges til at genoplade undervandsdroner uden behov for kontakt, hvilket fjerner behovet for at skabe vandtætte elektriske opladere.

Investering i HealthTech

Philips er et velkendt forbrugerelektronikbrand (barberskærere, elektriske tandbørster), som også er aktiv inden for sundhedssektoren. For eksempel var de nummer 1 i MedTech-patentindleveringer i Europa i 2022.

De er aktive inden for forbundne medicinske produkter, fra wearables til billeddiagnostik, respiratorer eller medicinske robotter.

Virksomheden er også aktiv inden for halvledere (inklusive magnetisk levitationsteknologi) og high‑tech/robotik/automatisering, hvor hver aktivitet deler en fælles teknologisk base.

Kilde: Philips

Philips tilbyder wearables til hjerte-, respirations- og aktivitetsmålinger. Dets sensorer kan integreres i smartwatches, sundhedsovervågere, medicinske patches og aktivitetstrackere.

Philips’ ekspertise inden for biokompatible sensorer, halvledere og trådløse løsninger kan gøre dem til en leder inden for avancerede medicinske implantater med trådløs opladning.

For medicinske enheder, foretrækker Philips en partnerskabsløsning, hvor de udvikler for tredjeparter deres forbundne IoT (Internet of Things) medicinske enheder, der er fuldt kompatible med resten af Philips’ løsninger. I den sammenhæng tilbyder de deres kunder prototyping, regulatorisk rådgivning, ende‑til‑ende produktudvikling og industriel produktion.

Dette gør Philips til en teknologifokuseret virksomhed og en sandsynlig kandidat til hurtigt at integrere innovationer i eksisterende medicinske enheder. Samlet set påvirkede Philips’ enheder direkte over 1,8 milliarder mennesker.

Virksomheden ønsker at skabe et fuldt integreret digitalt sundhedsplejemiljø, hvor sensorer matcher enheder, og derefter bruge flere forbindelsesløsninger til at integrere i Philips HealthSuite Cloud-løsningen og muliggøre dybdegående dataanalyse.

Kilde: Philips

Som leverandør i MedTech-industrien, ofte med produktion for andre mærker, er Philips ikke så synlig i sektoren som andre, mere fremtrædende virksomheder. Dog er de eksperter i at bygge højtydende elektroniske enheder og sensorer, ofte ved at skubbe grænserne for, hvad der er muligt inden for deres niche i sundhedspleje og wearables.

Med wearables og medicinsk elektronik, der i stigende grad integreres i sundhedspleje og medicinske protokoller, vil Philips’ Healthcare-segment sandsynligvis vokse som en del af konglomeratet.

Seneste nyheder og udviklinger om Koninklijke Philips N.V. (PHG) aktien

Studierreferencer:

^{1. Iman M. Imani, Hyun Soo Kim, et al. A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging. Advanced Materials. Volume37, Issue19. 12. maj 2025}