Sisäelektroniikka – Kultaa siltaamassa

Implantoitavien lääketieteellisten laitteiden markkinat kasvavat tasaisesti, mikä johtuu kroonisten sairauksien lisääntymisestä ja kuluttajatietoisuuden noususta. Tahtia tukevat teknologiset edistysaskeleet, jotka auttavat tekemään näistä laitteista tehokkaampia, kätevämpiä ja edullisempia. 

Lukujen mukaan markkinat implantoitaville lääketieteellisille laitteille maailmanlaajuisesti lähes kaksinkertaistuvat vuosikymmenessä, 105,7 miljardia USD vuonna 2023 ja 207,0 miljardia USD vuonna 2033. Tänään aloitamme tarkastelemalla yhtä viimeaikaisen alan merkittävimmistä innovaatioista, joka on myös merkki kukoistavasta alueesta, jossa lääketieteellinen fysiologia kohtaa tehokkaan elektroniikan. 

Kultaiset nanokuidut ja pehmeät elektrodit ovat valmiita liitettäväksi hermostoon 

Linköpingin yliopiston tutkijaryhmä on luonut kultaisia nanokuituja ja kehittänyt pehmeitä elektrodeja, jotka voivat toimia vastaavasti ihmisen hermoja niiden venyvyyden, sähkönjohtavuuden ja kestävyyden suhteen kehon sisällä. 

Tutkijat ja asiantuntijat näkevät valtavan potentiaalin tässä innovaatiossa. Aluksi se avaa uusia rajoja, joissa olisi mahdollista käyttää kultaa pehmeissä liitännöissä yhdistämään elektroniikka hermostoon lääketieteellisiä tarkoituksia varten. 

Jos se otetaan käyttöön oikein, se voi lievittää niin monimutkaisia sairauksia kuin epilepsia, Parkinsonin tauti ja halvaus sekä yhtä yleinen huolenaihe kuin krooninen kipu. 

Jo jonkin aikaa tutkijat ympäri maailmaa ovat olleet kiinnostuneita luomaan pehmeitä elektrodeja, jotka eivät vahingoita kudosta. Tämä Linköpingin yliopiston tutkijoiden saavutus auttoi saavuttamaan sen luomalla kultaisia nanokuituja, jotka olivat tuhat kertaa ohuempia kuin hius ja upotettu elastiseen materiaaliin, joka voi toimia pehmeinä mikroelektrodeina. 

Klas Tybrandt, selittäessään tutkimuksen ja sen tulosten ainutlaatuisuutta, sanoi seuraavaa:

“Olemme onnistuneet luomaan uuden, paremman nanomateriaalin kultaisista nanokuiduista yhdistettynä erittäin pehmeään silikonikumiin. Näiden yhteensovittaminen on tuottanut johtimen, jolla on korkea sähkönjohtavuus, se on erittäin pehmeä ja valmistettu biokompatibleista materiaaleista, jotka toimivat kehon kanssa.”

Kultaisen nanokuitujen luominen: Haasteet kohdatut ja ratkaistut

Yksi merkittävimmistä vaikeuksista, joita tutkijat kohtasivat, liittyi pitkien, kapeiden kultaisien nanorakenteiden tuotantoon. Tutkijat kehittivät ainutlaatuisen tavan voittaa tämä haaste, ja se oli hopean nanokuitujen käyttö. Selittäessään, miten tämä ainutlaatuinen saavutus voitiin toteuttaa, Klas Tybrant sanoi seuraavaa:

“Koska hopean nanokuituja on mahdollista valmistaa, hyödynnämme tätä ja käytämme hopean nanokuitua eräänlaisena mallina, jonka päälle kasvatamme kultaa. Seuraava vaihe prosessissa on hopean poistaminen. Kun se on tehty, meillä on materiaali, jossa on yli 99 prosenttia kultaa.”

Alun perin tutkijat eivät voineet käyttää hopeaa, koska se on kemiallisesti reaktiivista, kuluu ajan myötä ja voi hajota sekä värjäytyä. Lisäksi korkea hopeapitoisuus voi olla myrkyllistä ihmiskeholle. Siksi se täytyi päällystää kullalla.

Kehittämänsä materiaalin ja sen kestävyyden osalta tutkijat uskovat, että heidän ratkaisunsa voi kestää vähintään kolme vuotta, ylittäen monia aiemmin kehitettyjä nanomateriaaleja.

Pian tutkimusryhmä aloittaa materiaalin hienosäätämisen ja erilaisten elektrodien luomisen, jotka olisivat vielä pienempiä ja mahdollisesti lähempänä hermosoluja.

Implantoitavien monimuotoinen maailma

Vaikka tämän tutkimuksen hyödyllisyyttä on jo mainittu, on olemassa monia muita implantoitavia, jotka ovat saatavilla med-tech-alueella. Ne auttavat tekemään diagnoosista ja hoidosta johdonmukaisempaa, edullisempaa ja tehokkaampaa. 

Esimerkiksi Georgia Techin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet implantoitavan, kannettavan anturin, joka seuraa aivoverisuonten aneurysmien paranemista. Koska se toimii ilman akkuja, se voidaan kääriä stenteihin tai divertereihin, jotka on implantoitu säätelemään veren virtausta.

Anturi on luotu aerosol-jet 3D -tulostuksella, joka levittää johtavia hopeatraceja elastomeerisiin alustoihin. Katetroiden kautta sijoitettuna se käyttää induktiivista signaalikytkentää langattomaan biomimeettisen aivoverisuonten aneurysmien hemodynamiikan havaitsemiseen.

Prosessi sisältää kolme käämiä. Yksi käämi kerää kehon ulkopuolelta lähetettyä sähkömagneettista energiaa. Kun veri virtaa stentin läpi, implantoitu anturi muuttaa kapasitanssiaan, muuttaen signaalia, joka lähetetään kolmanteen ulkoiseen käämiin.

Toisessa samankaltaisessa projektissa Texas A&M -yliopiston insinöörijoukko on kehittänyt laitteen, joka käyttää grafeenia ja injektoi vaihtovirtaa ihoon verenpaineen mittaamiseksi.

Nimeltään Graphene Electronic Tattoos, nämä kiinnitettävät grafeenisensorit voivat seurata sydän- ja verisuoniterveyttä jatkuvan monitoroinnin avulla. Ne voivat jatkaa toimintaansa ja kerätä olennaista dataa myös potilaan nukkuessa, liikkuessa tai kokiessa korkean stressin tilanteita.

Tutkimusta tehdään myös sen selvittämiseksi, miten nämä implantoitavat laitteet voivat hyödyntää ja käyttää energiaa. Esimerkiksi Massachusetts Institute of Technology -tutkijoiden tiimi on kehittänyt akun, joka saa energiansa glukoosista. Tämä uusi akku on vain 400 nanometriä paksu, eli noin 1/100 ihmisen hiuksen halkaisijasta. Se tuottaa noin 43 mikrowattia neliösenttimetriä kohden sähköä ja kestää jopa 600 °C lämpötiloja.

Tutkijat käyttivät erittäin ohutta keramiikkasubstraattia ja glukoosiliuosta, jotta akku saisi joustavuutta ja olisi helppo sijoittaa kehoon.

Kun tutkijat pyrkivät kehittämään mahdollisimman monta uutta ja ainutlaatuista teknologiaratkaisua, jotkut yritykset ovat työskennelleet tehokkaiden implantoitavien laitteiden saatavuuden massamarkkinoille. Tulevissa osioissa tarkastelemme muutamia tällaisia kaupallisia ratkaisuja.

#1. CorTec

Yksi yrityksistä, joka on johdonmukaisesti toimittanut mullistavia ratkaisuja, on CorTec. ISO 13485 -sertifioitu yritys, CorTec kehittää ja valmistaa tuotteita ja komponentteja neurostimulaatiolle ja aktiiviselle implantoitavalle tekniikalle omissa laboratorioissaan ja puhdastilojen infrastruktuurissa. 

CorTecin patentoidut AirRay-elektrodit osoittautuvat hyödyllisiksi hermokudoksen stimulaatioon ja tallennukseen, toimien ihanteellisina liitäntinä hermostoon lääketieteellisille laitteille. 

Esimerkiksi AirRay-mukikortelektrodit tarjoavat sähköisen liitännän ääreishermostolle, kun taas ruudukko- ja nauhaelektrodit on suunniteltu liittämään keskushermostoon. AirRay-perkutaaniset elektrodit on tarkoitettu subkutaniseen käyttöön sekä selkäytimen tallentamiseen ja stimuloimiseen. Lopuksi AirRay-paddle-elektrodit tarjoavat sähköisen liitännän keskushermostoon, erityisesti kohdistuen selkäytimeen.

Tämän valikoiman lisäksi yksi CorTecin patentoiduista ratkaisuista sisältää sen kortikaaliset elektrodit. Nämä ovat CorTecin ECoG-elektrodit invasiiviseen neuroseurantaan. Näiden elektrodien avulla on mahdollista toteuttaa aivojen sähköisten signaalien seuranta, mikä on linjassa epileptogeenisten fokusten paikantamisen tai aivokartoituksen vaatimusten kanssa. Elektrodeja voidaan käyttää enintään 29 päivää, ja on mahdollista liittää yhteensä 64 elektrodia käyttäen vain kahta kaapelia. Elektrodin kontaktit ovat lähes tuntemattomia ja lukittuvat turvallisesti materiaalin kanssa estäen niiden irtoamisen silikonista.

Yksi tärkeimmistä CorTecin kortikaalielektrodien näkökohdista on se, että FDA on hyväksynyt ne invasiiviseen neuroseurantaan keskushermostossa ja antanut markkinointiluvan. Tuotevalikoima sisältää kaikki mahdolliset kontaktijärjestelyt 1×4:stä 8×8:aan elektrodikontakteja.

Merkittävän julkisen rahoituksen lisäksi CorTec, virallisen ilmoituksensa mukaan, on kerännyt neljä rahoituskierrosta. Sen nykyisten sijoittajien listaan kuuluvat Mangold Invest, M-Invest, Kfw, High-Tech Gründerfonds, Santo Venture Capital GmbH, LBBW Venture Capital ja K & S W Invest.

Julkinen rahoitus sisältää tukia Saksan liittovaltion opetus- ja tutkimusministeriöltä (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) sekä Euroopan unionilta.

#2. Atrotech

Toinen yritys, joka on vuosikymmenten ajan tehnyt melko kapeaa mutta pelin muuttavaa työtä tällä alalla, on Atrotech. Vuonna 1984 perustettu ja sijaitsee Technopolis Hermia, Tampere, Suomessa, Atrotech syntyi poikkitieteellisten tuoteideoiden tuloksena, jotka yhdistivät lääketieteen ja bioinsinöörin tieteet, ja jonka pääasiallinen toiminnan keskus on toiminnallinen sähköinen stimulaatio (FES). 

Atrotechin kaksi merkittävää panosta tällä alalla sisältävät implantoitavat neurostimulaattorit ja implantoitavat elektrodit. 

Elektrodien suunnittelussa yritys hyödyntää yli 30 vuoden kokemustaan korkealaatuiset platina-kontaktielektrodit, johdinköynnösten ja monipolaaristen liittimien valmistuksessa. Palvelualue, johon se keskittyy, sisältää tutkimusprojektit, kliiniset kokeet ja kaupallisesti jaetut lääketieteelliset laitteet. 

Yrityksellä on joustava tuotantoprosessi, jonka avulla se pystyy valmistamaan sekä pieniä määriä että suurempia volyymeja nopeasti ja kustannustehokkaasti. Lisäksi yritys on yhteydessä useisiin lääkäreihin ja yliopistoihin kehityksen ja prototyyppien varhaisissa vaiheissa mahdollisten uusien lääketieteellisten laitteiden osalta.

Yksi tutkimuksista, jonka yritys äskettäin rahoitti, pyrki arvioimaan uuden, irrotettavan, kirurgisesti implantoitavan, tilapäisen neurostimulaatiolähestymistavan toteutettavuutta ja turvallisuutta, joka koskee keuhkoveren hermon etäosaa. Tutkimusta varten yritys kehitti erityisesti suunnitellun, tilapäisen keuhkoveren hermostimulaattorin (tPNS) elektrodin. 

Tällainen yhteistyö erikoistuneiden ja teollisuuteen keskittyvien yritysten sekä tutkijoiden ja lääkäreiden verkoston välillä tekee sisäelektroniikan tulevaisuudesta kirkkaan ja valmiin kukoistamaan. 

Sisäelektroniikan tulevaisuuden suunta

Tuoreen heinäkuussa 2024 julkaistun tutkimuksen mukaan, joka on julkaistu Nature‑lehdessä ‘Nature’, tutkijat ovat kehittäneet implantoitavan elektrodin, joka perustuu biohajoavaan Mg‑Nd‑Zn‑Zr‑seokseen ja soveltuu hyvin seuraavan sukupolven radiofrekvenssi (RF) -kudoksen hitsaussovellukseen.

Elektrodin odotetaan vähentävän lämpövahinkoja ja lisäävän anastomoosin vahvuutta. Suunniteltu erilaisilla rakenteellisilla ominaisuuksilla, kuten sylinterimäinen pinta (CS) ja jatkuva pitkä rengas (LR) hitsausalueella, elektrodin elektrotermisiä simulaatioita tutkittiin elementtimenetelmän (FEA) avulla.

Tulokset osoittivat, että hitsausalueen keskilämpötila ja nekroottisen kudoksen osuus vähenivät merkittävästi, kun LR‑elektrodille sovellettiin 110 V:n vaihtovirtaa 10 sekunnin ajan. LR‑elektrodilla hitsattujen kudosten maksimi- ja keskilämpötilat voitiin myös merkittävästi alentaa, samalla kun hitsatun kudoksen anastomoosin vahvuus parani.

Imec, vuonna 1984 perustettu laboratorio auttaakseen ja mahdollistaakseen puolijohdeteollisuuden toiminnallisen skaalaamisen, on myös tehnyt uraauurtavia läpimurtoja nanoskaalan implantoitavissa. Se on auttanut kehittämään minimaalisen invasiivisia implantoituja, jotka sopivat seuraavan sukupolven haptisiin proteeseihin. Imecin ja Floridan yliopiston yhdessä kehittämä prototyyppinen implantoitu piiri antaa potilaille intuitiivisemman hallinnan käsiproteeseihinsa. Yksi sen tärkeimmistä komponenteista, ohutpiirilevy, on maailman ensimmäinen elektroditiheyden osalta ja se kehitettiin osana IMPRESS-projektia, jonka rahoittajana on DARPA:n HAPTIX‑ohjelma tulevaisuuden haptisten proteesiteknologioiden suljettu silmukka -järjestelmän luomiseksi.

Yksi tieteellisistä julkaisuista hiilenpohjaisten implantoitavien bioelektroniikan merkityksestä teki tärkeän havainnon sisäelektroniikan hyödyllisyydestä. Lainaten suoraan, julkaisu toteaa:

“Koska implantoitava bioelektroniikka voi havaita kehon tietoa tai aiheuttaa kehon reaktioita elävissä olennoissa kehon ulkopuolisista paikoista, siitä tulee hyödyllinen ja lupaava hoitomuoto monenlaisiin vaivoihin.”

Tulevaisuudessa hiilimateriaalit tulevat näyttelemään keskeistä roolia implantoitavien lääketieteellisten elektroniikkalaitteiden valmistuksessa. Nämä edut sisältävät hiilimateriaalien korkealaatuisen biokompatibiliteetin, väsymiskestävyyden ja alhaisen ominaispainon. Näitä materiaaleja käytetään laajassa sovelluskirjossa, mukaan lukien lääkkeiden toimituslaitteet, biosensorit, terapeuttiset stimulaattorit ja energian varastointi. Kaikilla näillä ominaisuuksilla on merkitystä neurologian, sydän‑ ja verisuonitautien, ruoansulatus‑ ja liikkumisjärjestelmien aloilla.

Implantoitavat toimilaitteet, biosensorit, lääkkeiden toimitusjärjestelmät ja virtalähteet – kaikki hyötyvät sisä‑ tai implantoitavan elektroniikan alan edistymisestä. Lisäedistys tällä alalla vaatii entistä monialaisempaa lähestymistapaa, jossa bioscientistitutkijat, materiaalitieteilijät ja fyysikot ympäri maailmaa tekevät yhteistyötä.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon parhaista biotekniikkapörssiosakkeista.