Interne Elektronik – Die Lücke mit Gold überbrücken

Der Markt für implantierbare medizinische Geräte wächst stetig, angetrieben durch einen Anstieg chronischer Erkrankungen und ein wachsendes Verbraucherbewusstsein. Das Tempo wird durch technologische Fortschritte unterstützt, die diese Geräte effizienter, komfortabler und kostengünstiger machen. 

Zahlen deuten darauf hin, dass der Markt für implantierbare medizinische Geräte weltweit in einem Jahrzehnt fast verdoppeln wird, von US$105,7 Milliarden im Jahr 2023 auf US$207,0 Milliarden im Jahr 2033. Heute beginnen wir damit, eine der prägendsten Innovationen in diesem Feld der letzten Zeit zu untersuchen, die ebenfalls ein Symptom des florierenden Raums ist, in dem medizinische Physiologie auf effiziente Elektronik trifft. 

Goldnanodrähte und weiche Elektroden sind bereit, mit dem Nervensystem verbunden zu werden 

Ein Forscherteam der Linköping University hat Goldnanodrähte geschaffen und weiche Elektroden entwickelt, die arbeiten können, die ihre Dehnbarkeit, elektrische Leitfähigkeit und Haltbarkeit im Körper mit menschlichen Nerven vergleichbar sind. 

Forscher und Experten sehen ein enormes Potenzial in dieser Innovation. Zu Beginn, eröffnet es Grenzen wo es möglich sein könnte, Gold in weichen Schnittstellen zu verwenden, um Elektronik für medizinische Zwecke mit dem Nervensystem zu verbinden. 

Wenn es korrekt eingesetzt wird, kann dies zur Linderung von Erkrankungen führen, die so komplex sind wie Epilepsie, Parkinson-Krankheit, und Lähmung sowie zu einem ebenso verbreiteten Problem wie chronische Schmerzen. 

Seit geraumer Zeit sind Forscher weltweit daran interessiert, weiche Elektroden zu entwickeln die das Gewebe nicht beschädigen. Diese besondere Leistung der Forscher der Linköping University ermöglichte dies, indem Goldnanodrähte erschaffen wurden, die tausendmal dünner als ein Haar sind und in ein elastisches Material eingebettet wurden, das als weiche Mikroelektroden funktionieren kann. 

Klas Tybrandt, der die Einzigartigkeit der Forschung und ihrer Ergebnisse erläuterte, sagte Folgendes:

“Wir haben es geschafft, ein neues, besseres Nanomaterial aus Goldnanodrähten in Kombination mit sehr weichem Silikonkautschuk herzustellen. Das Zusammenwirken dieser Materialien hat zu einem Leiter mit hoher elektrischer Leitfähigkeit geführt, der sehr weich ist und aus biokompatiblen Materialien besteht, die mit dem Körper funktionieren.”

Goldnanodrähte herstellen: Herausforderungen gemeistert und überwunden

Eine der größten Schwierigkeiten, denen die Forscher gegenüberstanden, betraf die Herstellung langer, schmaler Goldnanostrukturen. Die Forscher entwickelten einen einzigartigen Weg, dieses Problem zu überwinden, und zwar durch die Verwendung von Silbern nanodrähten. Erklärend, wie diese einzigartige Leistung erzielt werden konnte, sagte Klas Tybrant Folgendes:

“Da es möglich ist, Silbern nanodrähte herzustellen, nutzen wir dies und verwenden die Silbern nanodrähte als eine Art Schablone, auf der wir Gold wachsen lassen. Der nächste Schritt im Prozess ist das Entfernen des Silbers. Sobald das erledigt ist, haben wir ein Material, das über 99 Prozent Gold enthält.”

Ursprünglich konnten die Forscher Silber nicht verwenden, weil es chemisch reaktiv ist, im Laufe der Zeit abnutzt und das Risiko besteht, dass es zerfällt und verfärbt. Außerdem können hohe Konzentrationen von Silber für den menschlichen Körper toxisch sein. Daher mussten sie es mit Gold beschichten.

Bezüglich des von ihnen entwickelten Materials und seiner Haltbarkeit glauben die Forscher, dass ihre Lösung mindestens drei Jahre halten könnte und damit viele zuvor entwickelte Nanomaterialien übertrifft.

Bald wird das Forschungsteam damit beginnen, das Material zu verfeinern und verschiedene Arten von Elektroden zu erstellen, die noch kleiner sind und einen noch engeren Kontakt zu Nervenzellen ermöglichen.

Die vielfältige Welt der Implantate

Während der Nutzen dieser Forschung bereits zitiert wurde, gibt es viele weitere Implantate im Med-Tech-Bereich. Sie tragen dazu bei, Diagnose und Behandlung konsistenter, erschwinglicher und effizienter zu machen. 

Beispielsweise haben Wissenschaftler der Georgia Tech University einen implantierbaren, tragbaren Sensor entwickelt, der die Heilung von Aneurysmen in den Blutgefäßen des Gehirns überwacht. Da er ohne Batterien arbeitet, kann er um Stents oder Diverter gewickelt werden, die implantiert werden, um den Blutfluss zu regulieren.

Der Sensor wird mittels Aerosol-Jet-3D-Druck hergestellt, wobei leitfähige Silberspuren auf elastomere Substrate aufgebracht werden. Durch einen Katheter eingesetzt, nutzt er induktive Kopplung von Signalen für die drahtlose Erkennung der biomimetischen hämodynamischen Eigenschaften zerebraler Aneurysmen.

Der Prozess umfasst drei Spulen. Eine Spule erfasst elektromagnetische Energie, die von einer anderen Spule außerhalb des Körpers übertragen wird. Wenn Blut durch den Stent fließt, ändert der implantierte Sensor seine Kapazität, wodurch das an eine dritte externe Spule übertragene Signal verändert wird.

In einem weiteren Beispiel ähnlicher Arbeiten hat ein Team von Ingenieuren der Texas A&M University ein Gerät entwickelt, das Graphen verwendet und Wechselstrom in die Haut injiziert, um den Blutdruck zu überwachen. 

Graphene Electronic Tattoos genannt, können diese aufklebbaren Graphen‑Sensoren die kardiovaskuläre Gesundheit durch kontinuierliche Überwachung verfolgen. Sie können weiterarbeiten und relevante Daten sammeln, selbst wenn der Patient schläft, trainiert oder hochstressigen Situationen ausgesetzt ist. 

Forschung wird auch betrieben, um zu bestimmen, wie diese implantierbaren Geräte Energie nutzen können. Beispielsweise hat ein Team von Forschern des Massachusetts Institute of Technology eine Batterie entwickelt, die ihre Energie aus Glukose bezieht. Die neuartige Batterie ist nur 400 Nanometer dick, etwa ein Hundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Sie erzeugt etwa 43 Mikrowatt pro Quadratzentimeter Strom und kann Temperaturen bis zu 600 °C standhalten. 

Die Forscher verwendeten ein ultradünnes keramisches Substrat und eine Glukoselösung, um der Batterie Flexibilität zu verleihen und sie bequem im Körper zu platzieren. 

Während Forscher daran arbeiten, so viele neuartige und einzigartige Technologielösungen wie möglich zu entwickeln, haben einige Unternehmen daran gearbeitet, effiziente implantierbare Geräte für die Massenadoption verfügbar zu machen. In den kommenden Abschnitten werden wir einige dieser kommerziellen Lösungen betrachten. 

#1. CorTec

Eines der Unternehmen, das konsequent bahnbrechende Lösungen liefert, ist CorTec. Als ISO‑13485‑Unternehmen, entwickelt und fertigt CorTec Produkte und Komponenten für Neuromodulation und aktive Implantattechnologie in eigenen Laboren und Reinrauminfrastrukturen. 

CorTecs patentierte Reihe von AirRay‑Elektroden erweist sich als nützlich für Stimulation und Aufzeichnung des Nervengewebes und dient als ideale Schnittstelle zum Nervensystem für medizinische Geräte. 

Beispielsweise bieten die AirRay‑Cuff‑Elektroden eine elektrische Schnittstelle zum peripheren Nervensystem, während die Grid‑ und Strip‑Elektroden für die Schnittstelle zum zentralen Nervensystem konzipiert sind. Die AirRay‑perkutanen Elektroden sind für subkutane Anwendungen sowie für die Aufzeichnung und Stimulation des Rückenmarks vorgesehen. Schließlich bieten die AirRay‑Paddle‑Elektroden eine elektrische Schnittstelle zum zentralen Nervensystem, speziell zum Rückenmark.

Abgesehen von dieser Reihe umfasst eine von CorTecs patentierten Lösungen auch seine kortikalen Elektroden. Diese sind CorTecs ECoG‑Elektroden für invasives Neuromonitoring. Durch diese Elektroden ist es möglich, die Überwachung elektrischer Hirnsignale durchzuführen, was den Anforderungen zur Lokalisierung epileptogener Herde oder Gehirnkartierung entspricht. Die Elektroden können bis zu 29 Tage verwendet werden, und es ist möglich, insgesamt 64 Elektroden mit nur zwei Kabeln zu verbinden. Die Elektrodenkontakte sind nahezu tastlos und verriegeln sicher im Material, um ein Ablösen vom Silikon zu verhindern.

Ein besonders wichtiger Aspekt von CorTecs kortikalen Elektroden ist, dass die FDA sie für die Zulassung und Marktzulassung für invasives Neuromonitoring im zentralen Nervensystem als geeignet befunden hat. Das Produktportfolio umfasst alle möglichen Kontaktanordnungen von 1×4 bis 8×8 Elektrodenkontakten.

Abgesehen von bedeutender öffentlicher Förderung hat CorTec, laut seiner offiziellen Erklärung, vier Finanzierungsrunden durchgeführt. Zu den aktuellen Investoren gehören Mangold Invest, M-Invest, KfW, High-Tech Gründerfonds, Santo Venture Capital GmbH, LBBW Venture Capital und K & S W Invest. 

Die öffentliche Förderung umfasst Zuschüsse des deutschen Bundesministeriums für Bildung und Forschung (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) und der Europäischen Union.

#2. Atrotech

Ein weiteres Unternehmen, das seit Jahrzehnten in diesem Bereich eher nischenhafte, aber bahnbrechende Arbeit leistet, ist Atrotech. Gegründet 1984 und ansässig im Technopolis Hermia, Tampere, Finnland, entstand Atrotech aus interdisziplinären Produktideen, die die medizinischen und bioingenieurwissenschaftlichen Bereichen, mit dem Hauptfokus auf funktionelle elektrische Stimulation (FES). 

Zwei der wichtigsten Beiträge von Atrotech in diesem Bereich umfassen das Design und die Herstellung von implantierbaren Neurostimulatoren und implantierbaren Elektroden. 

Bei der Entwicklung der Elektroden nutzt das Unternehmen seine über 30-jährige Erfahrung in der Herstellung von hochwertigen Platin-Kontakt-Elektroden, Leitungen und Mehrpol-Leitungsverbinder. Der Servicebereich umfasst Forschungsprojekte, klinische Studien und kommerziell vertriebene medizinische Geräte. 

Das Unternehmen verfügt über einen flexiblen Produktionsprozess, der es ermöglicht, kleine Stückzahlen sowie größere Volumina schnell und kosteneffizient zu produzieren. Zusätzlich steht das Unternehmen in den frühen Phasen der Entwicklung und Prototypenerstellung potenzieller neuer medizinischer Geräte in Kontakt mit mehreren Ärzten und Universitäten.

Eine der Studien, die das Unternehmen kürzlich finanziert hat, zielte darauf ab, die Machbarkeit und Sicherheit eines neuartigen, entfernbaren, chirurgisch implantierten, temporären Neurostimulationsansatzes zu bewerten, der den distalen Teil des Zwerchfellnervs einbezieht. Für die Studie entwickelte das Unternehmen einen speziell entworfenen, temporären Zwerchfellnerv-Stimulator (tPNS)-Elektroden. 

Eine solche Zusammenarbeit zwischen spezialisierten, industrieorientierten Unternehmen und einer Gruppe von Forschern und Ärzten weltweit lässt die Zukunft der internen Elektronik vielversprechend und bereit zum Aufblühen erscheinen. 

Die zukünftige Entwicklung interner Elektronik

Laut einer kürzlich im Juli 2024 im Journal veröffentlichten Forschung ‘Nature’ haben Forscher eine implantierbare Elektrode auf Basis einer bioresorbierbaren Mg‑Nd‑Zn‑Zr‑Legierung entwickelt, die sich gut für eine nächste Generation der Radiofrequenz‑(RF‑)Gewebeschweißung eignet.

Die Elektrode wird voraussichtlich thermische Schäden reduzieren und die Anastomosenstärke erhöhen. Entworfen mit unterschiedlichen strukturellen Merkmalen einer zylindrischen Oberfläche (CS) und einem kontinuierlichen langen Ring (LR) im Schweißbereich, wurden die elektrowärmetischen Simulationen der Elektrode mittels Finite-Elemente-Analyse (FEA) untersucht.

Die Ergebnisse zeigten, dass die mittlere Temperatur im Schweißbereich und der Anteil nekrotischen Gewebes deutlich geringer wurden, wenn ein Wechselstrom von 110 V für 10 Sekunden auf die LR‑Elektrode angewendet wurde. Die maximale und mittlere Temperatur des von der LR‑Elektrode geschweißten Gewebes konnte ebenfalls signifikant reduziert werden, während die Anastomosenstärke des geschweißten Gewebes verbessert wurde.

Imec, ein 1984 gegründetes Labor, das die Halbleiterindustrie bei der funktionalen Skalierung unterstützt, hat ebenfalls bahnbrechende Fortschritte bei nanoskaligen Implantaten erzielt. Es hat zur Entwicklung minimalinvasiver Implantate beigetragen, die für die nächste Generation haptischer Prothesen geeignet sind. Der von Imec zusammen mit der University of Florida entwickelte prototypische implantierbare Chip gibt Patienten eine intuitivere Kontrolle über ihre Armprothesen. Eine seiner Hauptkomponenten, der Dünnsilizium‑Chip, ist der weltweit erste für Elektroden‑Dichte und wurde im Rahmen des IMPRESS‑Projekts entwickelt, das vom HAPTIX‑Programm der DARPA finanziert wird, um ein geschlossener‑Kreislauf‑System für zukünftige haptische Prothesen‑Technologie zu schaffen.

Eine der wissenschaftlichen Publikationen über die Bedeutung von kohlenstoffbasierten implantierbaren Bioelektroniken machte eine entscheidende Beobachtung zur Nützlichkeit interner Elektronik. Wortwörtlich zitiert, stellt die Publikation fest:

“Da implantierbare Bioelektronik Körperinformationen erfassen oder Körperreaktionen bei lebenden Organismen von außerhalb des Körpers auslösen kann, wird sie zu einer hilfreichen und vielversprechenden Lösung für eine Vielzahl von Beschwerden.”

In Zukunft werden Kohlenstoffmaterialien eine entscheidende Rolle bei der Herstellung implantierbarer medizinischer Elektronik spielen. Diese Vorteile umfassen die hochgradige Biokompatibilität, Ermüdungsbeständigkeit und das geringe spezifische Gewicht von Kohlenstoffmaterialien. Diese Materialien werden in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt, darunter Arzneimittelabgabegeräte, Biosensoren, therapeutische Stimulatoren und Energiespeicher. All diese Eigenschaften finden Anwendung in den Bereichen Neurologie, Kardiovaskulär, Gastrointestinal und Bewegungsapparat.

Implantierbare Aktuatoren, Biosensoren, Arzneimittelabgabesysteme und Stromversorgungen – alle profitieren von Fortschritten im Bereich interner oder implantierbarer Elektronik. Weiterer Fortschritt in diesem Bereich erfordert einen stärker interdisziplinären Ansatz, bei dem Bioscience‑Forscher, Materialwissenschaftler und Physiker weltweit zusammenarbeiten.

Klicken Sie hier für eine Liste der besten Biotech-Aktien.