Materiaalkunde
Interne Elektronica – De Kloof Overbruggen met Goud
De markt voor implanteerbare medische apparaten groeit gestaag, gedreven door een toename van chronische aandoeningen en een groeiend consumentenbewustzijn. Het tempo wordt sterk ondersteund door technologische vooruitgang, waardoor deze apparaten efficiënter, handiger en goedkoper worden.
Cijfers suggereren dat de markt voor implanteerbare medische apparaten wereldwijd bijna zal verdubbelen in een decennium, van US$105,7 miljard in 2023 tot US$207,0 miljard in 2033. Vandaag beginnen we met het bekijken van een van de meest bepalende innovaties op dit gebied in recente tijden, die ook symptomatisch is voor de bloeiende ruimte waar medische fysiologie efficiënte elektronica kruist.
Gouden nanodraden en zachte elektroden zijn klaar om te worden verbonden met het zenuwstelsel
Een team van onderzoekers aan de Linköping Universiteit heeft gouden nanodraden gecreëerd en zachte elektroden ontwikkeld die kunnen werken gelijk aan menselijke zenuwen in hun rekbaarheid, elektrische geleiding en duurzaamheid binnen het lichaam.
Onderzoekers en experts zien enorm potentieel in deze innovatie. Om te beginnen, het opent nieuwe grenzen waar het mogelijk zou kunnen zijn om goud te gebruiken in zachte interfaces om elektronica te verbinden met het zenuwstelsel voor medische doeleinden.
Als het correct wordt ingezet, kan dit leiden tot verlichting van aandoeningen zo complex als epilepsie, de ziekte van Parkinson en verlamming, en een even alomtegenwoordige zorg als chronische pijn.
Al geruime tijd zijn onderzoekers wereldwijd geïnteresseerd in het creëren van zachte elektroden die het weefsel niet beschadigen. Deze specifieke prestatie van onderzoekers van de Linköping Universiteit hielp dit te bereiken door gouden nanodraden te creëren die duizend keer dunner waren dan haar en ingebed in een elastisch materiaal dat kon functioneren als zachte micro-elektroden.
Klas Tybrandt, terwijl hij de uniekheid van het onderzoek en de resultaten toelichtte, had het volgende te zeggen:
“We hebben een nieuw, beter nanomateriaal gemaakt van gouden nanodraden in combinatie met zeer zacht siliconenrubber. Het laten samenwerken van deze materialen heeft geresulteerd in een geleider met hoge elektrische geleidbaarheid, die zeer zacht is en gemaakt van biocompatibele materialen die met het lichaam functioneren.”
Gouden nanodraden maken: Uitdagingen aangepakt en overwonnen
Een van de belangrijkste moeilijkheden waarmee de onderzoekers werden geconfronteerd, betrof de productie van lange, smalle gouden nanostructuren. De onderzoekers bedachten een unieke manier om deze uitdaging te overwinnen, en dat was door zilveren nanodraden te gebruiken. Terwijl hij uitlegt hoe deze unieke prestatie kon worden bereikt, zei Klas Tybrant het volgende:
“Aangezien het mogelijk is om zilveren nanodraden te maken, maken we hier gebruik van en gebruiken we de zilveren nanodraad als een soort sjabloon waarop we goud laten groeien. De volgende stap in het proces is het verwijderen van het zilver. Zodra dat is gedaan, hebben we een materiaal dat meer dan 99 procent goud bevat.”
Oorspronkelijk konden onderzoekers zilver niet gebruiken omdat het chemisch reactief is, na verloop van tijd slijt en het risico bestaat dat het afbreekt en verkleurt. Bovendien kan een hoge concentratie zilver giftig zijn voor het menselijk lichaam. Daarom moesten ze het met goud coaten.
Met betrekking tot het materiaal dat ze hebben ontwikkeld en de duurzaamheid ervan, geloven onderzoekers dat hun oplossing minstens drie jaar kan meegaan, en beter presteert dan veel eerder ontwikkelde nanomaterialen.
Binnenkort zal het onderzoeksteam beginnen met het verfijnen van het materiaal en het creëren van verschillende soorten elektroden die nog kleiner zullen zijn en mogelijk dichter bij zenuwcellen kunnen komen.
De diverse wereld van implanteerbare apparaten
Hoewel het nut van dit onderzoek al is aangehaald, zijn er veel andere implanteerbare apparaten beschikbaar in de med-tech sector. Ze helpen bij het maken van diagnoses en behandelingen consistenter, betaalbaarder en efficiënter.
Bijvoorbeeld, wetenschappers aan de Georgia Tech University hebben een implanteerbare, draagbare sensor ontwikkeld die de genezing van aneurysma’s in de bloedvaten van de hersenen monitort. Omdat deze zonder batterijen werkt, kan hij rond stents of diverters worden gewikkeld die geïmplanteerd zijn om de bloedstroom te reguleren.
De sensor wordt gemaakt met behulp van aerosol jet 3D-printen, waarbij geleidende zilveren sporen op elastomere substraten worden aangebracht. Ingebracht via een katheter, maakt hij gebruik van inductieve koppeling van signalen voor draadloze detectie van biomimetische cerebrale aneurysma‑hemodynamica.
Het proces omvat drie spoelen. Eén spoel vangt elektromagnetische energie op die wordt uitgezonden door een andere spoel buiten het lichaam. Terwijl het bloed door de stent stroomt, verandert de geïmplanteerde sensor zijn capaciteit, waardoor het signaal dat naar een derde externe spoel wordt verzonden, wordt aangepast.
In een ander voorbeeld van een vergelijkbare lijn van werk heeft een groep ingenieurs aan de Texas A&M University een apparaat ontwikkeld dat gebruik maakt van grafeen en wisselstroom in de huid injecteert om de bloeddruk te monitoren.
Graphene Electronic Tattoos genoemd, deze plakkende grafeensensoren kunnen de cardiovasculaire gezondheid volgen via continue monitoring. Ze kunnen blijven werken en relevante gegevens verzamelen, zelfs wanneer de patiënt slaapt, sport, of onder hoge stresssituaties verkeert.
Er wordt ook onderzoek gedaan naar hoe deze implanteerbare apparaten energie kunnen benutten en gebruiken. Bijvoorbeeld, een team van onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology heeft een batterij ontwikkeld die zijn stroom uit glucose haalt. De nieuwe batterij is slechts 400 nanometer dik, of ongeveer 1/100e van de diameter van een menselijk haar. Hij genereert ongeveer 43 microwatt per vierkante centimeter elektriciteit en kan temperaturen tot 600 °C weerstaan.
De onderzoekers gebruikten een ultradunne keramische substraat en een glucosere oplossing om de batterij flexibiliteit te geven en het gemakkelijk in het lichaam te plaatsen.
Terwijl onderzoekers proberen zoveel mogelijk nieuwe en unieke technologische oplossingen te bedenken, werken sommige bedrijven aan het beschikbaar maken van efficiënte implanteerbare apparaten voor massale adoptie. In de komende segmenten zullen we een paar van dergelijke commerciële oplossingen bekijken.
#1. CorTec
Een van de bedrijven die consequent baanbrekende oplossingen heeft geleverd, is CorTec. Een ISO 13485‑bedrijf ontwikkelt en produceert CorTec producten en componenten voor neuromodulatie en actieve implantechnologie in haar eigen laboratoria en cleanroominfrastructuur.
CorTec’s gepatenteerde reeks AirRay‑elektroden blijkt nuttig voor stimulatie en opname van het zenuwweefsel, en dient als de ideale interfaces naar het zenuwstelsel voor medische apparaten.
Bijvoorbeeld, de AirRay cuff‑elektroden bieden een elektrische interface naar het perifere zenuwstelsel, terwijl de grid‑ en strip‑elektroden zijn ontworpen voor interfacing met het centrale zenuwstelsel. De AirRay percutane elektroden zijn bedoeld voor subcutane toepassing, evenals voor opname en stimulatie van het ruggenmerg. Ten slotte bieden de AirRay paddle‑elektroden een elektrische interface naar het centrale zenuwstelsel, specifiek gericht op het ruggenmerg.
Naast dit assortiment omvat een van CorTec’s gepatenteerde oplossingen ook haar Corticale Elektroden. Dit zijn CorTec’s ECoG‑elektroden voor invasieve neuromonitoring. Met deze elektroden is het mogelijk om de elektrische hersignalen te monitoren, wat in lijn is met de vereisten voor de lokalisatie van epileptogene focussen of brain mapping. De elektroden kunnen maximaal 29 dagen worden gebruikt, en het is mogelijk om in totaal 64 elektroden aan te sluiten met slechts twee kabels. De elektrodecontacten zijn bijna onmerkbaar en vergrendelen veilig met het materiaal om scheiding van het siliconen te voorkomen.
Een van de meest cruciale aspecten van CorTec’s corticale elektroden is dat de FDA heeft vastgesteld dat ze geschikt zijn voor goedkeuring en markttoelating voor invasieve neuromonitoring in het centrale zenuwstelsel. Het productportfolio omvat alle mogelijke contactindelingen van 1×4 tot 8×8 elektrodecontacten.
Afgezien van aanzienlijke publieke financiering, heeft CorTec, volgens haar officiële verklaring, vier financieringsrondes opgehaald. De lijst van huidige investeerders omvat Mangold Invest, M‑Invest, Kfw, High‑Tech Gründerfonds, Santo Venture Capital GmbH, LBBW Venture Capital, en K & S W Invest.
De publieke financiering omvat subsidies van het Duitse Federale Ministerie van Onderwijs en Onderzoek (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) en de Europese Unie.
#2. Atrotech
Een ander bedrijf dat al decennialang enigszins niche, maar baanbrekend werk doet in dit gebied, is Atrotech. Opgericht in 1984 en gevestigd in de Technopolis Hermia, Tampere, Finland, is Atrotech ontstaan als gevolg van interdisciplinaire productideeën die de medische en bio‑engineering wetenschappen combineerden, met de hoofdactiviteit gericht op functionele elektrische stimulatie (FES).
Twee van Atrotech’s belangrijkste bijdragen in dit veld omvatten het ontwerpen en vervaardigen van implanteerbare neurostimulators en implanteerbare elektroden.
Bij het ontwikkelen van de elektroden maakt het bedrijf gebruik van meer dan 30 jaar expertise in het vervaardigen van hoogwaardige platinacontact‑elektroden, geleiderdraden en multipool‑connectoren. Het servicegebied omvat onderzoeksprojecten, klinische proeven en commercieel verspreide medische apparaten.
Het bedrijf heeft een flexibel productieproces, waardoor het zowel kleine hoeveelheden als grotere volumes snel en kosteneffectief kan vervaardigen. Bovendien staat het bedrijf in contact met meerdere artsen en universiteiten in de vroege fasen van de ontwikkeling en prototyping van potentiële nieuwe medische apparaten.
Een van de studies die het bedrijf recentelijk heeft gefinancierd, was gericht op het beoordelen van de haalbaarheid en veiligheid van een nieuw, verwijderbaar, chirurgisch geïmplanteerd, tijdelijk neurostimulatieconcept waarbij het distale gedeelte van de frenische zenuw wordt betrokken. Voor de studie ontwikkelde het bedrijf een speciaal ontworpen, tijdelijke frenische zenuwstimulator (tPNS) elektrode.
Zo’n samenwerking tussen gespecialiseerde en industriegerichte bedrijven en een groep onderzoekers en artsen verspreid over de hele wereld maakt de toekomst van interne elektronica helder en klaar om te bloeien.
De toekomstige ontwikkeling van interne elektronica
Volgens recent onderzoek, gepubliceerd in juli 2024 in het tijdschrift ‘Nature’, hebben onderzoekers een implanteerbare elektrode ontwikkeld op basis van bioresorbeerbare Mg‑Nd‑Zn‑Zr legering die goed zou werken in een volgende generatie radiofrequentie (RF) weefsellastoepassing.
De elektrode wordt verwacht thermische schade te verminderen en de anastomotische sterkte te verhogen. Ontworpen met verschillende structurele kenmerken van cilindrisch oppervlak (CS) en continue lange ring (LR) in het lasgebied, werden de elektro‑thermische simulaties van de elektrode bestudeerd met eindige‑elementenanalyse (FEA).
De resultaten toonden aan dat de gemiddelde temperatuur in het lasgebied en het aandeel necrotisch weefsel aanzienlijk lager werden bij het toepassen van een wisselstroom van 110 V gedurende 10 seconden op de LR‑elektrode. De maximale en gemiddelde temperaturen van door de LR‑elektrode gelaste weefsels konden ook aanzienlijk worden verlaagd, terwijl de anastomotische sterkte van het gelaste weefsel verbeterde.
Imec, een laboratorium opgericht in 1984 om de halfgeleiderindustrie te ondersteunen en functioneel op te schalen, heeft ook enkele baanbrekende doorbraken gerealiseerd in nano‑schaal implanteerbare apparaten. Het heeft geholpen bij de ontwikkeling van minimaal invasieve implantaten geschikt voor de volgende generatie haptische protheses. De prototype‑implanteerbare chip die Imec samen met de Universiteit van Florida heeft ontwikkeld, geeft patiënten meer intuïtieve controle over hun armprotheses. Een van de belangrijkste componenten, de dunne siliciumchip, is ‘s werelds eerste voor elektrode‑dichtheid en werd ontwikkeld als onderdeel van het IMPRESS‑project, gefinancierd door DARPA’s HAPTIX‑programma om een gesloten‑lus systeem te creëren voor haptische prothesetechnologie van de volgende generatie.
Een van de wetenschappelijke publicaties over het belang van koolstofgebaseerde implanteerbare bio‑elektronica maakte een cruciale observatie over het nut van interne elektronica. Om letterlijk te citeren, stelt de publicatie:
“Omdat implanteerbare bio‑elektronica lichaamsinformatie kan waarnemen of lichaamsreacties kan opwekken bij levende wezens vanaf locaties buiten het lichaam, worden ze steeds nuttige en veelbelovende oplossingen voor een verscheidenheid aan aandoeningen.”
In de toekomst zullen koolstofmaterialen een cruciale rol spelen bij de productie van implanteerbare medische elektronica. Deze voordelen omvatten de hoogwaardige biocompatibiliteit, vermoeidheidsweerstand en lage specifieke zwaartekracht van koolstofmaterialen. Deze materialen worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, waaronder geneesmiddelleveringsapparaten, biosensoren, therapeutische stimulators en energieopslag. Al deze eigenschappen spelen een rol in de velden van neurologische, cardiovasculaire, gastro‑intestinale en locomotorische systemen.
Implanteerbare actuatoren, biosensoren, geneesmiddelleveringssystemen en stroomvoorzieningen—alle profiteren van de vooruitgang op het gebied van interne of implanteerbare elektronica. Verdere vooruitgang in dit gebied zal een meer intersectionele aanpak vereisen, waarbij bioscience‑onderzoekers, materiaalkundigen en natuurkundigen wereldwijd betrokken zijn.
