Εσωτερικά Ηλεκτρονικά – Γεφυρώνοντας το Κενό με Χρυσό

Η αγορά των εμφυτευόμενων ιατρικών συσκευών αυξάνεται σταθερά, ενισχυόμενη από την αύξηση των χρόνιων παθήσεων και την αυξανόμενη ευαισθητοποίηση των καταναλωτών. Ο ρυθμός υποστηρίζεται επαρκώς από τεχνολογικές προόδους, βοηθώντας να γίνουν αυτές οι συσκευές πιο αποδοτικές, βολικές και χαμηλού κόστους. 

Οι αριθμοί υποδεικνύουν ότι η αγορά των εμφυτευόμενων ιατρικών συσκευών παγκοσμίως θα σχεδόν διπλασιαστεί μέσα σε μια δεκαετία, από 105,7 δισεκατομμύρια δολάρια το 2023 σε 207,0 δισεκατομμύρια δολάρια το 2033. Σήμερα, θα ξεκινήσουμε εξετάζοντας μία από τις πιο καθοριστικές καινοτομίες σε αυτόν τον τομέα τα πρόσφατα, η οποία είναι επίσης ενδεικτική του ακμάζοντος χώρου όπου η ιατρική φυσιολογία συναντά την αποδοτική ηλεκτρονική. 

Τα χρυσά νανοσύρματα και τα μαλακά ηλεκτρόδια είναι έτοιμα να συνδεθούν με το νευρικό σύστημα 

Μια ομάδα ερευνητών στο Linköping University δημιούργησε χρυσά νανοσύρματα και ανέπτυξε μαλακά ηλεκτρόδια που μπορούν να λειτουργούν ισοδύναμα με τα ανθρώπινα νεύρα στην ελαστικότητά τους, τη ηλεκτρική αγωγιμότητα και τη διάρκεια ζωής μέσα στο σώμα. 

Οι ερευνητές και οι ειδικοί βλέπουν τεράστιο δυναμικό σε αυτήν την καινοτομία. Πρώτα απ’ όλα, ανοίγει νέους ορίζοντες όπου θα μπορούσε να είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί ο χρυσός σε μαλακές διεπαφές για τη σύνδεση της ηλεκτρονικής με το νευρικό σύστημα για ιατρικούς σκοπούς. 

Αν εφαρμοστεί σωστά, αυτό μπορεί να οδηγήσει στην ανακούφιση παθήσεων τόσο σύνθετων όσο η επιληψία, η νόσος του Πάρκινσον και η παράλυση, καθώς και σε ένα τόσο διαδεδομένο πρόβλημα όσο ο χρόνιος πόνος. 

Για αρκετό καιρό, ερευνητές παγκοσμίως ενδιαφέρονται για τη δημιουργία μαλακών ηλεκτροδίων που δεν βλάπτουν τον ιστό. Αυτή η συγκεκριμένη επίτευξη από ερευνητές του Linköping University βοήθησε να επιτευχθεί αυτό δημιουργώντας χρυσά νανοσύρματα που ήταν χίλιες φορές πιο λεπτά από τα μαλλιά και ενσωματωμένα σε ελαστικό υλικό που θα μπορούσε να λειτουργήσει ως μαλακά μικροηλεκτρόδια. 

Ο Klas Tybrandt, εξηγώντας την μοναδικότητα της έρευνας και των αποτελεσμάτων της, είπε τα εξής:

“Έχουμε καταφέρει να δημιουργήσουμε ένα νέο, καλύτερο νανοϋλικό από χρυσά νανοσύρματα σε συνδυασμό με πολύ μαλακό σιλικόνη καουτσούκ. Η συνεργασία τους έχει οδηγήσει σε αγωγό με υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, πολύ μαλακό και κατασκευασμένο από βιοσυμβατά υλικά που λειτουργούν με το σώμα.”

Δημιουργία χρυσών νανοσύρματων: Προκλήσεις που αντιμετωπίστηκαν και ξεπεράστηκαν

Μία από τις κύριες δυσκολίες που αντιμετώπισαν οι ερευνητές αφορούσε την παραγωγή μακρών, στενών χρυσών νανοδομών. Οι ερευνητές βρήκαν έναν μοναδικό τρόπο να ξεπεράσουν αυτήν την πρόκληση, χρησιμοποιώντας νανοσύρματα ασημιού. Εξηγώντας πώς μπορεί να επιτευχθεί αυτό το μοναδικό επίτευγμα, ο Klas Tybrant είπε τα εξής:

“Καθώς είναι δυνατόν να παραχθούν νανοσύρματα ασημιού, εκμεταλλευόμαστε αυτό και χρησιμοποιούμε το νανοσύρμα ασημιού ως ένα είδος προτύπου πάνω στο οποίο αναπτύσσουμε χρυσό. Το επόμενο βήμα στη διαδικασία είναι η αφαίρεση του ασημιού. Μόλις αυτό γίνει, έχουμε ένα υλικό που περιέχει πάνω από 99 τοις εκατό χρυσό.”

Αρχικά, οι ερευνητές δεν μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν ασημί επειδή είναι χημικά αντιδραστικό, φθείρεται με την πάροδο του χρόνου και υπάρχει κίνδυνος αποσύνθεσης και αλλαγής χρώματος. Επιπλέον, υψηλές συγκεντρώσεις ασημιού μπορεί να είναι τοξικές για το ανθρώπινο σώμα. Συνεπώς, έπρεπε να το επικαλύψουν με χρυσό.

Σχετικά με το υλικό που ανέπτυξαν και τη διάρκεια ζωής του, οι ερευνητές πιστεύουν ότι η λύση τους θα μπορούσε να διαρκέσει τουλάχιστον τρία χρόνια, υπερέχοντας πολλούς προηγούμενους νανοϋλικούς υλικούς.

Σύντομα, η ερευνητική ομάδα θα αρχίσει να εργάζεται στη βελτίωση του υλικού και στη δημιουργία διαφορετικών τύπων ηλεκτροδίων που θα είναι ακόμη μικρότερα και θα μπορούν να έρθουν σε πιο στενή επαφή με τα νευρικά κύτταρα.

Ο Ποικίλος Κόσμος των Εμφυτευόμενων Συσκευών

Ενώ η χρησιμότητα αυτής της έρευνας έχει ήδη αναφερθεί, υπάρχουν πολλές άλλες εμφυτεύσιμες συσκευές διαθέσιμες στον χώρο της ιατρικής τεχνολογίας. Βοηθούν να κάνουν τη διάγνωση και τη θεραπεία πιο συνεπείς, προσιτές και αποδοτικές. 

Για παράδειγμα, επιστήμονες του Georgia Tech University έχουν αναπτύξει έναν εμφυτεύσιμο, φορητό αισθητήρα που παρακολουθεί την επούλωση των ανευρυσμάτων μέσα στα αιμοφόρα αγγεία του εγκεφάλου. Επειδή λειτουργεί χωρίς μπαταρίες, μπορεί να τυλίγεται γύρω από στεντ ή διαχωριστές που εμφυτεύονται για τη ρύθμιση της ροής του αίματος.

Ο αισθητήρας δημιουργείται με χρήση εκτύπωσης 3D aerosol jet, η οποία τοποθετεί αγώγιμες ίνες ασημιού σε ελαστομερή υποστρώματα. Εισάγεται μέσω καθετήρα και χρησιμοποιεί επαγωγική σύζευξη σημάτων για ασύρματη ανίχνευση των βιομιμητικών αιματικών δυναμικών του εγκεφαλικού ανευρύσματος.

Η διαδικασία περιλαμβάνει τρεις πηνίους. Ένας πηνίος συλλέγει ηλεκτρομαγνητική ενέργεια που μεταδίδεται από έναν άλλο πηνίο εκτός του σώματος. Καθώς το αίμα ρέει μέσω του στεντ, ο εμφυτευμένος αισθητήρας αλλάζει τη χωρητικότητά του, τροποποιώντας το σήμα που μεταδίδεται σε έναν τρίτο εξωτερικό πηνίο.

Σε άλλη περίπτωση παρόμοιας εργασίας, μια ομάδα μηχανικών του Texas A&M University ανέπτυξε μια συσκευή που χρησιμοποιεί γραφένιο και εισάγει εναλλασσόμενο ρεύμα στο δέρμα για την παρακολούθηση της αρτηριακής πίεσης. 

Ονομαζόμενα Graphene Electronic Tattoos, αυτά τα κολλώδη γραφενικά αισθητήρια μπορούν να παρακολουθούν την καρδιαγγειακή υγεία μέσω συνεχούς παρακολούθησης. Μπορούν να συνεχίσουν να λειτουργούν και να συλλέγουν σχετικές δεδομένα ακόμη και όταν ο ασθενής κοιμάται, κάνει άσκηση ή βρίσκεται σε καταστάσεις υψηλού στρες. 

Η έρευνα προχωρά επίσης για να καθοριστεί πώς αυτές οι εμφυτεύσιμες συσκευές μπορούν να αξιοποιήσουν ενέργεια. Για παράδειγμα, μια ομάδα ερευνητών του Massachusetts Institute of Technology ανέπτυξε μια μπαταρία που αντλεί την ενέργειά της από τη γλυκόζη. Η καινοτόμος μπαταρία έχει πάχος μόλις 400 νανόμετρα, ή περίπου 1/100 του διαμέτρου ενός ανθρώπινου μαλλιού. Παράγει περίπου 43 μικροβάτ ανά τετραγωνικό εκατοστό ηλεκτρισμού και μπορεί να αντέξει θερμοκρασίες έως 600 ° C. 

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα υπερλεπτό κεραμικό υπόστρωμα και μια λύση γλυκόζης για να ενισχύσουν τη μπαταρία με ευελιξία και να την κάνουν βολική για τοποθέτηση μέσα στο σώμα. 

Ενώ οι ερευνητές εργάζονται για να προτείνουν όσο το δυνατόν περισσότερες νέες και μοναδικές τεχνολογικές λύσεις, ορισμένες εταιρείες εργάζονται για να κάνουν αποδοτικές εμφυτεύσιμες συσκευές διαθέσιμες για μαζική υιοθέτηση. Στα επόμενα τμήματα, θα εξετάσουμε μερικές τέτοιες εμπορικές λύσεις. 

#1. CorTec

Μία από τις εταιρείες που έχει σταθερά προσφέρει καινοτόμες λύσεις είναι η CorTec. Μία εταιρεία ISO 13485, η CorTec αναπτύσσει και κατασκευάζει προϊόντα και εξαρτήματα για νευρομόδωση και ενεργή τεχνολογία εμφυτεύσεων στα δικά της εργαστήρια και υποδομές καθαρών χώρων. 

Η πατενταρισμένη σειρά ηλεκτροδίων AirRay της CorTec αποδεικνύεται χρήσιμη για διέγερση και καταγραφή του νευρικού ιστού, λειτουργώντας ως ιδανικές διεπαφές στο νευρικό σύστημα για ιατρικές συσκευές. 

Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόδια AirRay cuff παρέχουν ηλεκτρική διεπαφή στο περιφερικό νευρικό σύστημα, ενώ τα ηλεκτρόδια grid και strip σχεδιάζονται για διεπαφή με το κεντρικό νευρικό σύστημα. Τα διαδερμικά ηλεκτρόδια AirRay προορίζονται για υποδερμική χρήση, καθώς και για καταγραφή και διέγερση του νωτιαίου μυελού. Τέλος, τα ηλεκτρόδια AirRay paddle προσφέρουν ηλεκτρική διεπαφή στο κεντρικό νευρικό σύστημα, στοχεύοντας συγκεκριμένα το νωτιαίο μυελό.

Εκτός από αυτή τη σειρά, μία από τις πατενταρισμένες λύσεις της CorTec περιλαμβάνει επίσης τα Κορτικά Ηλεκτρόδια της. Πρόκειται για τα ECoG ηλεκτρόδια της CorTec για επεμβατική νευροπαρακολούθηση. Μέσω αυτών των ηλεκτροδίων, είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί η παρακολούθηση των ηλεκτρικών σημάτων του εγκεφάλου, που είναι σύμφωνη με τις απαιτήσεις εντοπισμού εφευρετικών εστιών ή χαρτογράφησης του εγκεφάλου. Τα ηλεκτρόδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μέγιστο διάστημα 29 ημερών, και είναι δυνατόν να συνδεθούν συνολικά 64 ηλεκτρόδια χρησιμοποιώντας μόνο δύο καλώδια. Οι επαφές των ηλεκτροδίων είναι σχεδόν αδιακρίσιμες και κλειδώνουν ασφαλώς με το υλικό για να αποτρέψουν το ξεχώρισμά τους από το σιλικόνη.

Ένα από τα πιο κρίσιμα στοιχεία των κορτικών ηλεκτροδίων της CorTec είναι ότι η FDA τα έχει κρίνει κατάλληλα για έγκριση και άδεια αγοράς για επεμβατική νευροπαρακολούθηση στο κεντρικό νευρικό σύστημα. Η γκάμα προϊόντων περιλαμβάνει όλες τις πιθανές διατάξεις επαφών από 1×4 έως 8×8 επαφές ηλεκτροδίων.

Εκτός από σημαντική δημόσια χρηματοδότηση, η CorTec, σύμφωνα με την επίσημη δήλωσή της, έχει συγκεντρώσει τέσσερις γύρους χρηματοδότησης. Η λίστα των τρεχόντων επενδυτών της περιλαμβάνει τις Mangold Invest, M-Invest, Kfw, High-Tech Gruenderfonds, Santo Venture Capital GmbH, LBBW Venture Capital, και K & S W Invest. 

Η δημόσια χρηματοδότηση περιλαμβάνει επιδοτήσεις από το Γερμανικό Ομοσπονδιακό Υπουργείο Παιδείας και Έρευνας (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) και την Ευρωπαϊκή Ένωση.

#2. Atrotech

Μια άλλη εταιρεία που κάνει εξειδικευμένη αλλά και μετασχηματιστική δουλειά σε αυτόν τον χώρο για δεκαετίες είναι η Atrotech. Ιδρύθηκε το 1984 και βρίσκεται στο Technopolis Hermia, Tampere, Φινλανδία, και προέκυψε ως αποτέλεσμα διεπιστημονικών ιδεών προϊόντων που συνδύαζαν τις ιατρικές και βιομηχανικές επιστήμες, με κύρια εστίαση στις λειτουργικές ηλεκτρικές διεγέρσεις (FES). 

Δύο από τις κύριες συνεισφορές της Atrotech σε αυτόν τον τομέα περιλαμβάνουν το σχεδιασμό και την κατασκευή εμφυτεύσιμων νευροδιεγερτών και εμφυτεύσιμων ηλεκτροδίων. 

Στον σχεδιασμό των ηλεκτροδίων, η εταιρεία αξιοποιεί πάνω από 30 χρόνια εμπειρίας στην κατασκευή υψηλής ποιότητας ηλεκτροδίων επαφής από πλατίνα, αγωγών και πολυπολικών συνδέσμων. Η περιοχή υπηρεσιών της περιλαμβάνει ερευνητικά προγράμματα, κλινικές δοκιμές και εμπορικά διανεμημένες ιατρικές συσκευές. 

Η εταιρεία διαθέτει ευέλικτη διαδικασία παραγωγής, επιτρέποντάς της να κατασκευάζει μικρές ποσότητες καθώς και μεγαλύτερους όγκους με γρήγορο, οικονομικά αποδοτικό τρόπο. Επιπλέον, η εταιρεία συνεργάζεται με πολλούς γιατρούς και πανεπιστήμια στα αρχικά στάδια της ανάπτυξης και πρωτοτυποποίησης πιθανών νέων ιατρικών συσκευών.

Μία από τις μελέτες που η εταιρεία χρηματοδότησε πρόσφατα είχε ως στόχο την αξιολόγηση της εφικτότητας και ασφάλειας μιας νέας, αφαιρούμενης, χειρουργικά εμφυτευμένης, προσωρινής προσέγγισης νευροδιέγερσης που αφορά το απομακρυσμένο τμήμα του φρενικού νεύρου. Για τη μελέτη, η εταιρεία ανέπτυξε ένα ειδικά σχεδιασμένο, προσωρινό ηλεκτρόδιο διεγερτή φρενικού νεύου (tPNS). 

Τέτοια συνεργασία μεταξύ εξειδικευμένων και βιομηχανικά προσανατολισμένων εταιρειών και μιας ομάδας ερευνητών και ιατρών διασκορπισμένων σε όλο τον κόσμο κάνει το μέλλον της εσωτερικής ηλεκτρονικής να φαίνεται φωτεινό και έτοιμο να ανθίσει. 

Η Μελλοντική Κατεύθυνση της Εσωτερικής Ηλεκτρονικής

Σύμφωνα με πρόσφατη έρευνα που δημοσιεύθηκε τον Ιούλιο του 2024 στο περιοδικό ‘Nature’, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει ένα εμφυτεύσιμο ηλεκτρόδιο βασισμένο σε βιοαποσπώμενο κράμα Mg-Nd-Zn-Zr, το οποίο θα λειτουργεί καλά σε εφαρμογή συγκόλλησης ιστών με ραδιοσυχνότητα (RF) επόμενης γενιάς.

Το ηλεκτρόδιο αναμένεται να μειώσει τη θερμική ζημιά και να αυξήσει τη δύναμη ανώμασης. Σχεδιασμένο με διαφορετικά δομικά χαρακτηριστικά κυλινδρικής επιφάνειας (CS) και συνεχούς μακριάς δακτυλίδας (LR) στην περιοχή συγκόλλησης, το ηλεκτρόδιο ηλεκτροθερμικές προσομοιώσεις μελετήθηκαν με ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων (FEA).

Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η μέση θερμοκρασία στην περιοχή συγκόλλησης και το ποσοστό νεκρωτικού ιστού μειώθηκαν σημαντικά όταν εφαρμόστηκε εναλλασσόμενο ρεύμα 110 V για 10 δευτερόλεπτα στο LR ηλεκτρόδιο. Η μέγιστη και η μέση θερμοκρασία των ιστών που συγκόλλησαν με το LR ηλεκτρόδιο επίσης μειώθηκαν σημαντικά ενώ η δύναμη ανώμασης του συγκολλημένου ιστού βελτιώθηκε.

Η Imec, ένα εργαστήριο που ιδρύθηκε το 1984 για να βοηθήσει και να επιτρέψει στη βιομηχανία ημιαγωγών να κλιμακώσει λειτουργικά, έχει επίσης κάνει πρωτοποριακές προόδους σε εμφυτεύσιμα σε νανοκλίμακα. Έχει βοηθήσει στην ανάπτυξη ελάχιστα επεμβατικών εμφυτευμάτων κατάλληλων για επόμενης γενιάς απτικές προθέσεις. Το πρωτότυπο εμφυτεύσιμο τσιπ που η Imec ανέπτυξε μαζί με το Πανεπιστήμιο της Φλόριντα δίνει στους ασθενείς πιο ενστικτωτικό έλεγχο πάνω στις προθέσεις του βραχίονα. Ένα από τα κύρια συστατικά του, το λεπτό πυριτίου τσιπ, είναι το πρώτο στον κόσμο για πυκνότητα ηλεκτροδίων και αναπτύχθηκε ως μέρος του έργου IMPRESS που χρηματοδοτείται από το πρόγραμμα HAPTIX του DARPA για τη δημιουργία ενός κλειστού βρόχου συστήματος για τεχνολογία απτικών προθετικών επόμενης γενιάς.

Μία από τις επιστημονικές δημοσιεύσεις σχετικά με τη σημασία των ανθρακοβασισμένων εμφυτευσίμων βιοηλεκτρονικών έκανε μια κρίσιμη παρατήρηση για τη χρησιμότητα των εσωτερικών ηλεκτρονικών. Για να παραθέσουμε ακριβώς, η δημοσίευση παρατηρεί:

“Επειδή τα εμφυτεύσιμα βιοηλεκτρονικά μπορούν να ανιχνεύουν πληροφορίες του σώματος ή να προκαλούν αντιδράσεις του σώματος σε ζωντανά όντα από σημεία εκτός του σώματος, γίνονται χρήσιμα και υποσχόμενα θεραπείες για μια ποικιλία παθήσεων.”

Στο μέλλον, τα υλικά άνθρακα θα παίξουν κρίσιμο ρόλο στην κατασκευή εμφυτευσίμων ιατρικών ηλεκτρονικών. Αυτά τα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν την υψηλής ποιότητας βιοσυμβατότητα των υλικών άνθρακα, την αντοχή στην κόπωση και τη χαμηλή ειδική βαρύτητα. Αυτά τα υλικά χρησιμοποιούνται σε ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων των συσκευών παράδοσης φαρμάκων, βιοαισθητήρων, θεραπευτικών διεγερτών και αποθήκευσης ενέργειας. Όλες αυτές οι ιδιότητες έχουν ρόλο στα πεδία των νευρολογικών, καρδιαγγειακών, γαστρεντερικών και κινητικών συστημάτων.

Εμφυτεύσιμα ενεργοποιητικά στοιχεία, βιοαισθητήρες, συστήματα παράδοσης φαρμάκων και τροφοδοσίες—όλα ωφελούνται από τις προόδους στον τομέα των εσωτερικών ή εμφυτευσίμων ηλεκτρονικών. Η περαιτέρω πρόοδος σε αυτόν τον τομέα θα απαιτήσει μια πιο διατομεακή προσέγγιση που θα περιλαμβάνει ερευνητές βιοεπιστήμης, επιστήμονες υλικών και φυσικούς παγκοσμίως.

Κάντε κλικ εδώ για μια λίστα με τις κορυφαίες βιοτεχνολογικές μετοχές.