Neue Ultraschalltechnologie versorgt medizinische Implantate drahtlos mit Strom

Die Herausforderung, fortschrittliche medizinische Implantate mit Energie zu versorgen

Den menschlichen Körper zu verbessern oder defekte Teile zu ersetzen, ist seit den ersten einfachen Prothesen der Antike ein Ziel der Medizin. Mit der zunehmenden Komplexität mechanischer Komponenten wurde die Vorstellung, Körperteile zu ersetzen, unter Science-Fiction-Begeisterten immer beliebter und führte zum Konzept der Cyborgs: Menschen, die halb Mensch und halb Maschine sind.

Bis zu einem gewissen Grad könnte man sagen, dass dies bereits geschieht: Operationen wie das Einsetzen von Herzschrittmachern oder künstlichen Hüftgelenken gehören heute zum Alltag. Sie gleichen Probleme am Herzmuskel oder an den Gelenken der Patienten durch metallische Implantate aus.

Da neuronale Implantate und andere fortschrittliche medizinische Implantate im kommenden Jahrzehnt wahrscheinlich Realität werden, kommen wir der Schaffung echter kybernetischer Körper tatsächlich näher als je zuvor.

Für die meisten medizinischen Implantate besteht jedoch weiterhin ein wiederkehrendes Problem: die Energieversorgung. Herzschrittmacher kommen mit sehr kleinen Batterien aus, weil sie nur wenig Leistung benötigen. Implantate wie neuronale Chips werden dagegen wahrscheinlich deutlich mehr Energie brauchen.

Herkömmliche Verfahren zum drahtlosen Laden, etwa elektromagnetische Induktion und funkbasierte Systeme, wie sie häufig bei Smartphones und Ohrhörern eingesetzt werden, stehen vor mehreren Herausforderungen.

Dazu zählen kurze Übertragungsdistanzen, eine geringe Energieeffizienz in biologischem Gewebe und die Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen.

Eine andere Methode könnte durch die Arbeit von Forschern der Korea University, des Korea Institute of Science and Technology (KIST), der Sungkyunkwan University (SKKU, Südkorea), der Yonsei University (Südkorea) und der University of California möglich werden.

Sie entwickelten ein Verfahren, mit dem sich medizinische Geräte stattdessen drahtlos per Ultraschall aufladen lassen. Ihre Entdeckung veröffentlichten sie in Advanced Materials¹ unter dem Titel „Körperkonformer Ultraschallempfänger für eine effiziente und stabile drahtlose Energieübertragung beim tiefen perkutanen Laden“.

Warum drahtlose Energie Schwierigkeiten hat, menschliches Gewebe zu durchdringen

Elektronische implantierbare medizinische Geräte (IMDs) werden zur Behandlung von Krankheiten oder Verletzungen eingesetzt, etwa bei der Neurostimulation sowie der Therapie und Überwachung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen.

Zum Austausch der Batterie sind regelmäßig Operationen erforderlich. Diese können zu Komplikationen wie Infektionen an der Operationsstelle, Biofilmbildung und hohen Gesundheitskosten führen.

Einige Ansätze versuchen, die im Körper vorhandene Energie zu nutzen, beispielsweise den Blutzucker, um solche Geräte zu versorgen.

Bei manchen Anwendungen ist der Energiebedarf jedoch so hoch, dass solche Möglichkeiten unrealistisch sind. Für künftige Anwendungen wie neuronale Implantate gilt dies umso mehr, wodurch sie weiterhin sehr invasiv wären.

Die drahtlose Energieübertragung mit elektromagnetischen oder Funkwellensystemen dringt nur schlecht in biologisches Gewebe ein und kann unerwünschte Nebenwirkungen verursachen.

Auch die photovoltaische drahtlose Energieübertragung ist ungeeignet, da Licht Gewebe nur schlecht durchdringt und thermische Gewebeschäden entstehen können.

Ultraschall wird dagegen von biologischem Gewebe gut vertragen und kann tief eindringen, ohne Schäden zu verursachen. Deshalb wird er routinemäßig zu diagnostischen Zwecken eingesetzt, auch bei Schwangeren.

Wie Ultraschall das drahtlose Laden von Implantaten ermöglicht

Dank seiner langen Nutzungsgeschichte in der Diagnostik stützt sich Ultraschall bereits auf zahlreiche medizinische Studien und Normen, die sichere Energieniveaus festlegen. Die FDA definiert hierfür einen Höchstwert von 0,72 W pro Quadratzentimeter.

Zwei Gerätetypen können Ultraschall in Elektrizität umwandeln: piezoelektrische Nanogeneratoren (US-PENGs) und triboelektrische Nanogeneratoren (US-TENGs).

US-PENGs wurden zur Energieversorgung elektronischer Implantate entwickelt, beruhen jedoch häufig auf bleihaltigen piezoelektrischen Keramiken. Diese sind oft starr und können toxikologische Bedenken hervorrufen.

Deshalb konzentrierten sich die Forscher stattdessen auf die US-TENG-Technologie.

Dieses biokompatibel umhüllte Gerät ist 0,4 mm dick und erreicht eine hohe Ladungsdichte. Bei nichtinvasiven Ultraschallintensitäten kann es elektronische Geräte in einer Tiefe von bis zu etwa 6 cm mit Energie versorgen.

Wie es funktioniert

Für einen vollständig flexiblen US-TENG wurden dünne Polymerfolien verwendet. Mehrere Kunststoffschichten, darunter Acryl beziehungsweise Polymethylmethacrylat (PMMA), wurden übereinander angeordnet.

Quelle: Advanced Materials

Perfluoralkoxy-Alkane (PFA) kamen wegen ihrer triboelektrischen Eigenschaften unter mechanischer Belastung zum Einsatz. Eine Elektrodenschicht im Nanometerbereich wurde aufgebracht, damit die besonderen Eigenschaften der PFA-Folie erhalten bleiben.

Außerdem wurde eine robuste Schicht aus Polyurethan (PU), Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen und Calcium-Kupfer-Titanat (P(VDF-TrFE)pol/CCTO) verwendet, um die Erzeugung elektrischer Ladung zu maximieren.

Quelle: Advanced Materials

Testen des ultraschallbetriebenen Implantats unter realen Bedingungen

Das gesamte Gerät wurde anschließend zur Abdichtung in eine Polydimethylsiloxan-Lösung (PDMS) eingeschlossen.

Dieser flexible US-TENG wurde in Wasser, Polymer beziehungsweise Hydrogel und Schweinegewebe auf seine Leistung getestet.

Eine erste praktische Anwendung wäre der Einsatz in einem Herzschrittmacher, sodass keine weitere Operation zum Austausch der Gerätebatterie nötig wäre.

Quelle: Advanced Materials

Parallel dazu wurde die Biokompatibilität des P(VDF-TrFE)/CCTO-Verbundstoffs im Hinblick auf Zytotoxizität und Genotoxizität bestätigt. Damit erwies er sich in der Praxis als ebenso sicher, wie frühere Studien vermuten ließen.

Die Energieerzeugung wurde mit einem Laser-Vibrometer präzise gemessen, das die Schwingungen des Geräts erfasste. Dabei zeigte der US-TENG einen um 44 % höheren Gewinn als die zuletzt gemeldete Ausführung einer vergleichbaren Technologie.

Quelle: Advanced Materials

Schließlich prüften die Forscher die Effizienz des Systems in Abhängigkeit von Ultraschallintensität, Entfernung und Winkel der Ultraschallquelle, um festzustellen, ob es unter realistischen Bedingungen für ein medizinisches Gerät im menschlichen Körper eingesetzt werden kann.

Die Tests bestätigten, dass eine relativ geringe Ultraschallintensität, eine Tiefe von 4 bis 8 Zentimetern (1,5 bis 3 Zoll) und ein vergleichsweise großer Winkelbereich funktionieren.

Quelle: Advanced Materials

Sicherstellung von Flexibilität und Haltbarkeit medizinischer Implantate

Eine weitere Herausforderung implantierbarer medizinischer Geräte besteht darin, dass sie idealerweise sehr flexibel sein müssen. Der menschliche Körper ist kein starrer Roboterrahmen, und Organe bewegen sich, insbesondere der Herzmuskel.

Deshalb verwendeten die Forscher nicht nur flexible Materialien, sondern prüften auch, ob die Geräte beim Biegen ausreichend effizient blieben.

Quelle: Advanced Materials

Sie stellten fest, dass das Gerät bei einer Biegung in eine Richtung etwas weniger Energie erzeugte, bei einer Biegung in die andere Richtung jedoch sogar mehr. Der Anstieg beruhte darauf, dass die schalenförmige Form Ultraschallwellen besser einfing und mehr Wellen auf die Oberfläche des Geräts trafen.

Dies zeigte in jedem Fall, dass sich das Gerät biegen ließ, ohne beschädigt zu werden oder seine Fähigkeit zur Energieerzeugung zu verlieren.

„Mit dieser Forschungsarbeit haben wir gezeigt, dass die drahtlose Energieübertragung per Ultraschall praktisch eingesetzt werden kann.

Wir planen weitere Forschung zur Miniaturisierung und Kommerzialisierung, um die praktische Anwendung der Technologie zu beschleunigen.“

Dr. Sunghoon Hur – Forscher am KIST

Abschließende Gedanken: Nächste Schritte für Ultraschall-Implantattechnologie

Medizinische Geräte, die drahtlos aufgeladen werden können, wären für Millionen Patienten weltweit eine enorme Verbesserung.

Dadurch könnten auch ehrgeizigere Implantatkonzepte verwirklicht werden, die bislang an einer realistischen und ausreichend leistungsfähigen Energieversorgung scheiterten. Dazu könnten Implantate gehören, die Medikamente direkt in den Blutkreislauf abgeben, bestimmte chemische Stoffe überwachen oder als neuronale Implantate dienen.

Diese Implantattechnologie könnte schnell eingesetzt werden: Sie ist nur 0,4 mm dick, sehr flexibel, gut biokompatibel und lässt sich ohne seltene exotische Materialien einfach herstellen.

Die Technologie könnte sogar außerhalb medizinischer Geräte eingesetzt werden. Unterwasserdrohnen ließen sich damit ebenso kontaktlos aufladen, sodass keine wasserdichten elektrischen Ladeanschlüsse mehr erforderlich wären.

Investitionen in HealthTech 

Philips ist eine bekannte Marke für kleine Unterhaltungselektronik wie Rasierer und elektrische Zahnbürsten und zugleich stark im Gesundheitswesen tätig. So belegte das Unternehmen 2022 bei MedTech-Patentanmeldungen in Europa den ersten Platz.

Das Unternehmen bietet vernetzte Medizinprodukte an, von Wearables über Bildgebung und Beatmungsgeräte bis hin zu Medizinrobotern.

Philips ist außerdem in den Bereichen Halbleiter, einschließlich Magnetschwebetechnik, sowie Hochtechnologie, Robotik und Automatisierung aktiv. Diese Tätigkeiten beruhen jeweils auf einer gemeinsamen technologischen Grundlage.

Quelle: Philips

Philips bietet Wearables zur Erfassung von Herz-, Atem- und Aktivitätswerten an. Die Sensoren können in Smartwatches, Gesundheitsmonitoren, medizinische Pflaster und Aktivitätstracker integriert werden.

Die Erfahrung von Philips mit biokompatiblen Sensoren, Halbleitern und drahtlosen Lösungen könnte das Unternehmen zu einem führenden Anbieter fortschrittlicher medizinischer Implantate mit drahtloser Ladefunktion machen.

Bei Medizinprodukten bevorzugt Philips Partnerschaftslösungen. Das Unternehmen entwickelt für Dritte vernetzte IoT-Medizingeräte (Internet der Dinge), die vollständig mit den übrigen Philips-Lösungen kompatibel sind. Dabei bietet es seinen Kunden Prototypenentwicklung, regulatorische Beratung, eine durchgängige Produktentwicklung und die Produktion im industriellen Maßstab.

Damit ist Philips ein technologieorientiertes Unternehmen und ein wahrscheinlicher Kandidat für die schnelle Integration von Innovationen in bestehende Medizinprodukte. Insgesamt wirken sich die Geräte von Philips direkt auf mehr als 1,8 Milliarden Menschen aus.

Das Unternehmen möchte eine vollständig integrierte digitale Gesundheitsumgebung schaffen, in der Sensoren zu den Geräten passen. Mehrere Verbindungslösungen sollen anschließend in die Philips HealthSuite Cloud eingebunden werden und ausführliche Datenanalysen ermöglichen.

Quelle: Philips

Als Zulieferer der MedTech-Branche, der häufig für andere Marken produziert, ist Philips in diesem Sektor weniger sichtbar als andere, bekanntere Unternehmen. Es verfügt jedoch über große Erfahrung beim Bau leistungsfähiger elektronischer Geräte und Sensoren und verschiebt in seinen Nischen Gesundheitswesen und Wearables regelmäßig die Grenzen des technisch Machbaren.

Da Wearables und medizinische Elektronik zunehmend in Gesundheitsversorgung und medizinische Abläufe integriert werden, dürfte das Healthcare-Segment von Philips innerhalb des Konzerns wachsen.

Neueste Nachrichten und Entwicklungen zu Koninklijke Philips N.V. (PHG) Aktien

Studienreferenz:

^{1. Iman M. Imani, Hyun Soo Kim, et al. Ein körperkonformer Ultraschallempfänger für effiziente und stabile drahtlose Energieübertragung beim tiefen perkutanen Laden. Advanced Materials. Band37, Ausgabe19. 12. Mai 2025}