Nieuwe Ultrasoon Technologie Laadt Medische Implantaten Draadloos op

De Uitdaging van het Voeden van Geavanceerde Medische Implantaten

Improving the human body, or replacing defective parts, has been a goal of medicine as long ago as the first crude prosthesis of antiquity. Progressively, as mechanical components become more complex, the idea of replacing parts of the body became increasingly popular among science fiction enthusiasts, leading to the idea of cyborgs, people that would be half-human, half-machine.

In zekere mate kunnen we beweren dat dit al gebeurt, met operaties zoals pacemaker-implantaties of heupoperaties die routinematig worden uitgevoerd en problemen in de hartspier of gewrichten van patiënten aanvullen, waarbij ze worden verbeterd met metalen implantaten.

Naarmate neurale implantaten en andere geavanceerde medische implantaten een waarschijnlijke realiteit worden in het komende decennium, komen we inderdaad dichter dan ooit bij het creëren van echte cybernetische lichamen.

Er is echter nog steeds een terugkerend probleem voor de meeste medische implantaten: de stroomvoorziening. Pacemakers doen het met zeer kleine batterijen omdat ze slechts zeer beperkte vermogensniveaus nodig hebben. Maar implantaten zoals neurale chips zullen waarschijnlijk veel meer energie vereisen.

Traditionele draadloze oplaadmethoden, zoals elektromagnetische inductie en op radiofrequentie gebaseerde systemen die vaak worden gebruikt in smartphones en oordopjes, ondervinden verschillende uitdagingen.

Ze kunnen kwetsbaar zijn voor problemen zoals korte transmissie-afstanden, lage energie-efficiëntie in biologisch weefsel en gevoeligheid voor elektromagnetische interferentie.

Een andere methode zou mogelijk kunnen worden, volgens het werk van onderzoekers van de Korea University, het Korea Institute of Science and Technology (KIST), Sungkyunkwan University (SKKU – Zuid-Korea), Yonsei University (Zuid-Korea) en de University of California.

Ze ontwikkelden een manier om medische apparaten draadloos op te laden met behulp van ultrasoon in plaats daarvan. Ze publiceerden hun ontdekking in Advanced Materials¹, onder de titel “A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging”.

Waarom Draadloze Energie Moeite Heeft om Menselijk Weefsel te Penetreren

Elektronische implanteerbare medische apparaten (IMD's) worden gebruikt in therapeutische toepassingen voor ziekten of verwondingen, zoals neurostimulatie-therapie en cardiovasculaire genezing/monitoring.

Ze vereisen regelmatige operaties voor batterijvervanging, wat kan leiden tot complicaties bij patiënten zoals infecties op de operatielocatie, biofilmvorming en hoge zorgkosten.

Sommige methoden proberen de omgevingsenergie van het lichaam te gebruiken, zoals die van bloedsuiker, om deze apparaten van stroom te voorzien.

Voor sommige toepassingen maken de energie-eisen dergelijke opties onrealistisch. Voor toekomstige toepassingen zoals neurale implantaten is dit nog minder waarschijnlijk, waardoor ze zeer invasief blijven.

Het op afstand overbrengen van energie met elektromagnetische of radiogolfsystemen dringt slecht door in biologisch weefsel en kan ongewenste bijwerkingen veroorzaken.

Fotovoltaire draadloze energieoverdracht is ook ongeschikt vanwege problemen met lage lichtpenetratie in weefsel en thermische weefselschade.

Integendeel, ultrasoon wordt goed verdragen door biologisch weefsel en kan diep doordringen zonder schade te veroorzaken, wat de reden is dat het routinematig wordt gebruikt voor diagnostische doeleinden, ook bij zwangere vrouwen.

Hoe Ultrasoon Draadloos Opladen van Implantaten Mogelijk Maakt

Dankzij de lange geschiedenis van gebruik in diagnostiek profiteert ultrasoon al van een grote hoeveelheid medische studies en normen die de veilige energieniveaus van ultrasoon bepalen die kunnen worden gebruikt (de FDA definieert dit als een maximum van 0,72 W per vierkante centimeter).

Twee soorten apparaten kunnen ultrasoon omzetten in elektriciteit: piezo-elektrisch (US-PENGs) en tribo-elektrische nanogeneratoren (US-TENGs).

US-PENGs zijn ontwikkeld voor het voeden van elektronische implantaten, maar vertrouwen vaak op op lood gebaseerde piezo-elektrische keramiek, die vaak stijf zijn en toxiciteitsproblemen kunnen veroorzaken.

Daarom richtten de onderzoekers zich in plaats daarvan op US-TENG-technologie.

Dit biocompatibel omhulde apparaat, met een dikte van 0,4 mm, bereikt een hoge ladingsdichtheid die geschikt is voor het voeden van elektronische apparaten tot ongeveer 6 cm diepte bij niet-invasieve ultrasoonintensiteiten.

Hoe Het Werkt

Dunne polymeerfolies werden gebruikt om een volledig flexibele US-TENG te creëren, met lagen plastic materiaal op elkaar gestapeld, waaronder acryl of poly-(methylmethacrylaat) (PMMA).

Bron: Advanced Materials

Perfluoroalkoxy-alkanen (PFA) werden gebruikt vanwege hun tribo-elektrische eigenschappen onder mechanische energie. Een nanoschaallaag van elektrode werd afgezet om de unieke eigenschappen van de PFA-film te behouden.

Een robuuste laag polyurethaan (PU) en polyvinylideenfluoride-trifluoroethyleen, en calciumkoptitanaat (P(VDF-TrFE)pol/CCTO) werd ook gebruikt om de productie van elektrische lading te maximaliseren.

Bron: Advanced Materials

Het Testen van het Ultrasoon-aangedreven Implantaat onder Realistische Condities

Het volledige apparaat werd vervolgens ingekapseld in een polydimethylsiloxane (PDMS)-oplossing voor waterdichtheid.

Deze flexibele US-TENG werd getest op prestaties in water, polymeer/hydrogel en varkensweefsel.

De eerste praktische toepassing zou zijn om dit apparaat in een pacemaker te integreren zodat er geen extra operaties meer nodig zijn om de batterij van het apparaat te vervangen.

Bron: Advanced Materials

Parallel daaraan is de biocompatibiliteit van het P(VDF-TrFE)/CCTO-composiet met betrekking tot cytotoxiciteit en genotoxiciteit bevestigd, waarmee wordt aangetoond dat het in de praktijk even veilig is als eerdere studies beweerden.

De energieopwekking werd nauwkeurig gemeten met een laser vibrometer, waarbij de vibratie van het apparaat werd gecontroleerd. Dit bevestigde een 44% verhoogde opbrengst van de US-TENG vergeleken met die gerapporteerd in de vorige versie van de vergelijkbare technologie.

Bron: Advanced Materials

Uiteindelijk testten ze de efficiëntie van het systeem afhankelijk van ultrasoonintensiteit, afstand en hoek van de ultrasoonbron, om te bepalen of het in realistische omstandigheden kon worden gebruikt voor een medisch apparaat in het menselijk lichaam.

Het bevestigde dat relatief lage ultrasoonintensiteit, een afstand tot 4-8 centimeter (1,5-3 inch) en een relatief breed scala aan hoeken werkbaar waren.

Bron: Advanced Materials

Het Waarborgen van Flexibiliteit en Duurzaamheid van Medische Implantaten

Een andere uitdaging van implanteerbare medische apparaten is dat ze idealiter zeer flexibel moeten zijn, omdat het menselijk lichaam geen robotframe is en organen bewegen, vooral de hartspier.

Daarom gebruikten de onderzoekers niet alleen flexibele materialen, maar maten ze ook of ze voldoende efficiënt bleven wanneer ze gebogen werden.

Bron: Advanced Materials

Ze ontdekten dat het een beetje energieopwekking verloor wanneer het in één richting werd gebogen, maar zelfs wat won wanneer het in de andere richting werd gebogen. De toename in energieopwekking was te wijten aan verbeterde opsluiting van ultrasone golven in het komvormige apparaat en verhoogde golfbotsingen op het oppervlak van het apparaat.

Dit toonde in ieder geval aan dat het apparaat gebogen kon worden zonder schade of verlies van zijn energie‑genererende eigenschappen.

“Door dit onderzoek hebben we aangetoond dat draadloze energietransmissietechnologie met behulp van ultrasoon praktisch kan worden toegepast.

We zijn van plan verder onderzoek te doen naar miniaturisatie en commercialisering om de praktische toepassing van de technologie te versnellen.”

Dr. Sunghoon Hur – Onderzoeker bij KIST

Slotgedachten: Volgende Stappen voor Ultrasoon Implantaattechnologie

Medische apparaten die draadloos kunnen worden opgeladen, zouden een enorme verbetering betekenen voor miljoenen patiënten wereldwijd.

Dit zou ook de beperking wegnemen van ambitieuzere implantaatideeën die tot nu toe werden beperkt door het ontbreken van een realistische energievoorziening die voldoende is om de taak uit te voeren. Het zou onder meer implantaten kunnen omvatten die medicijnen rechtstreeks in de bloedbaan afleveren, specifieke chemicaliën monitoren, neurale implantaten, enz.

Deze implantaattechnologie kan snel worden ingezet, met slechts 0,4 mm dikte, sterke flexibiliteit, goede biocompatibiliteit en eenvoudige productie zonder zeldzame exotische materialen.

De technologie zou zelfs toepassingen buiten medische apparaten kunnen vinden, aangezien hij net zo gemakkelijk kan worden gebruikt voor het opladen van onderwaterdrones zonder contact, waardoor de noodzaak voor waterdichte elektrische laders wegvalt.

Investeren in HealthTech 

Philips is een bekend consumentenmerk voor kleine elektronica (scheerapparaten, elektrische tandenborstels) en is even actief in de gezondheidszorg. Bijvoorbeeld, het was in 2022 de nummer 1 voor MedTech-patentaanvragen in Europa.

Het is actief in verbonden medische producten, van wearables tot beeldvorming, respirators of medische robots.

Het bedrijf is ook actief in halfgeleiders (inclusief maglev-technologie) en high‑tech/robotica/automatisering, waarbij elke activiteit een gemeenschappelijke technologische basis deelt.

Bron: Philips

Philips biedt wearables voor hart-, ademhalings- en activiteitsmetingen. Zijn sensoren kunnen worden geïntegreerd in smartwatches, gezondheidsmonitoren, medische patches en activiteitstrackers.

De expertise van Philips op het gebied van biocompatibele sensoren, halfgeleiders en draadloze oplossingen zou het tot een leider kunnen maken in geavanceerde medische implantaten met draadloos opladen.

Voor medische apparaten geeft Philips de voorkeur aan een partnerschapsoplossing, waarbij het voor derden hun verbonden IoT (Internet of Things) medische apparaten ontwikkelt die volledig compatibel zijn met de rest van de Philips‑oplossingen. In die context biedt het zijn klanten prototyping, regelgevende advisering, end‑to‑end productontwikkeling en productie op industriële schaal.

Dit maakt Philips een technologie‑gericht bedrijf en een waarschijnlijke kandidaat om innovaties snel te integreren in bestaande medische apparaten. In totaal hebben Philips‑apparaten direct invloed op meer dan 1,8 miljard mensen.

Het bedrijf wil een volledig geïntegreerde digitale zorgomgeving creëren, waarin sensoren aansluiten op apparaten, en vervolgens meerdere connectiviteitsoplossingen gebruiken om te integreren in de Philips HealthSuite Cloud‑oplossing en diepgaande data‑analyse mogelijk te maken.

Bron: Philips

Als MedTech‑leverancier, die vaak voor andere merken produceert, is Philips minder zichtbaar in de sector dan andere, meer prominente bedrijven. Desondanks is het een expert in het bouwen van high‑performance elektronische apparaten en sensoren, en duwt het vaak de grenzen van wat mogelijk is in zijn niche binnen de gezondheidszorg en wearables.

Naarmate wearables en medische elektronica steeds meer geïntegreerd worden in de gezondheidszorg en medische protocollen, zal het Healthcare‑segment van Philips waarschijnlijk groeien als onderdeel van het concern.

Laatste Nieuws en Ontwikkelingen over Koninklijke Philips N.V. (PHG) Aandelen

Studieverwijzing:

^{1. Iman M. Imani, Hyun Soo Kim, et al. A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging. Advanced Materials. Volume37, Issue19. 12 mei 2025}