Materialvitenskap
Intern Elektronikk – Broen Over Gapet med Gull
Markedet for implantable medisinske enheter vokser jevnt, drevet av en økning i kroniske lidelser og økende forbrukerbevissthet. Fremdriften støttes av teknologiske fremskritt, som gjør disse enhetene mer effektive, praktiske og rimelige.
Tallene antyder at markedet for implantable medisinske enheter globalt vil nesten dobles på et tiår, fra 105,7 milliarder USD i 2023 til 207,0 milliarder USD i 2033. I dag vil vi begynne med å se på en av de mest definerende innovasjonene innen dette feltet i nyere tid, som også er symptomatisk for det blomstrende rommet hvor medisinsk fysiologi krysser effektiv elektronikk.
Gullnanotråder og myke elektroder er klare til å kobles til nervesystemet
Et team av forskere ved Linköping University har laget gullnanotråder og utviklet myke elektroder som kan fungere tilsvarende menneskelige nerver i deres strekkbarhet, elektrisk ledningsevne og holdbarhet i kroppen.
Forskere og eksperter ser enormt potensial i denne innovasjonen. For det første, åpner den opp fronter der det kan være mulig å bruke gull i myke grensesnitt for å koble elektronikk til nervesystemet for medisinske formål.
Hvis den brukes riktig, kan dette føre til lindring av tilstander så komplekse som epilepsi, Parkinsons sykdom, og lammelse, samt et så utbredt problem som kronisk smerte.
I en god stund har forskere globalt vært interessert i å lage myke elektroder som ikke skader vevet. Denne spesifikke prestasjonen fra Linköping University-forskerne bidro til dette ved å lage gullnanotråder som var tusen ganger tynnere enn hår og innbakt i et elastisk materiale som kan fungere som myke mikroelektroder.
Klas Tybrandt, mens han utdypet forskningss unikhet og resultater, hadde følgende å si:
“Vi har lykkes med å lage et nytt, bedre nanomateriale fra gullnanotråder i kombinasjon med svært myk silikongummi. Å få disse til å fungere sammen har resultert i en leder med høy elektrisk ledningsevne, som er svært myk og laget av biokompatible materialer som fungerer med kroppen.”
Lage gullnanotråder: Utfordringer møtt og overvunnet
En av de største vanskelighetene forskerne møtte var produksjonen av lange, smale gullnanostrukturer. Forskerne fant en unik måte å overvinne denne utfordringen på, ved å bruke sølvananotråder. Når de forklarer hvordan dette unike resultatet kunne oppnås, sa Klas Tybrant følgende:
“Siden det er mulig å lage sølvananotråder, utnytter vi dette og bruker sølvananotråden som en slags mal som vi vokser gull på. Neste steg i prosessen er å fjerne sølvet. Når det er gjort, har vi et materiale som inneholder over 99 prosent gull i det.”
Opprinnelig kunne forskerne ikke bruke sølv fordi det er kjemisk reaktivt, slites over tid, og risikerer å brytes ned og misfarges. I tillegg kan høye konsentrasjoner av sølv være giftig for menneskekroppen. Derfor måtte de belegge det med gull.
Når det gjelder materialet de har utviklet og dets holdbarhet, tror forskerne at løsningen kan vare i minst tre år, og overgår mange tidligere utviklede nanomaterialer.
Snart vil forskningsteamet begynne å jobbe med å finpusse materialet og lage ulike typer elektroder som vil være enda mindre og kunne bringes i nærmere kontakt med nerveceller.
Den mangfoldige verden av implantater
Selv om nytten av denne forskningen allerede er nevnt, finnes det mange andre implantater tilgjengelige i med-tech sektoren. De bidrar til å gjøre diagnostikk og behandling mer konsistent, rimelig og effektiv.
For eksempel har forskere ved Georgia Tech University utviklet en implantabel, bærbar sensor som overvåker helbredelse av aneurismer i hjernens blodkar. Siden den fungerer uten batterier, kan den pakkes rundt stenter eller divertere som er implantert for å regulere blodstrømmen.
Sensoren er laget ved hjelp av aerosol-jet 3D-printing, som påfører ledende sølvspor på elastomeriske underlag. Den settes inn via en kateter og bruker induktiv kobling av signaler for trådløs deteksjon av biomimetisk cerebral aneurisme hemodynamikk.
Prosessen involverer tre spoler. En spole fanger opp elektromagnetisk energi som sendes fra en annen spole utenfor kroppen. Når blodet strømmer gjennom stenten, endrer den implanterte sensoren sin kapasitans, og endrer signalet som sendes til en tredje ekstern spole.
I et annet eksempel på lignende arbeid har en gruppe ingeniører ved Texas A&M University utviklet en enhet som bruker grafen og injiserer vekselstrøm i huden for å overvåke blodtrykk.
Kalt Graphene Electronic Tattoos, kan disse klebende grafensensorene spore kardiovaskulær helse gjennom kontinuerlig overvåking. De kan fortsette å fungere og samle relevante data selv når pasienten sover, trener eller opplever høystresssituasjoner.
Forskning pågår også for å finne ut hvordan disse implantable enhetene kan utnytte og bruke energi. For eksempel har et team ved Massachusetts Institute of Technology utviklet et batteri som henter sin kraft fra glukose. Det nye batteriet er kun 400 nanometer tykt, omtrent 1/100 av diameteren på et menneskehår. Det genererer omtrent 43 mikrowatt per kvadratcentimeter elektrisitet og kan tåle temperaturer opp til 600 ° C.
Forskerne brukte et ultratynt keramisk underlag og en glukoseløsning for å gi batteriet fleksibilitet og gjøre det enkelt å plassere i kroppen.
Mens forskerne jobber med å komme opp med så mange nye og unike teknologiløsninger som mulig, har noen selskaper jobbet med å gjøre effektive implantable enheter tilgjengelige for masseadopsjon. I de kommende segmentene skal vi se på et par slike kommersielle løsninger.
#1. CorTec
En av selskapene som konsekvent har levert banebrytende løsninger er CorTec. Et ISO 13485-selskap, CorTec utvikler og produserer produkter og komponenter for nevromodulasjon og aktiv implantatteknologi i sine interne laboratorier og renromsinfrastruktur.
CorTecs patenterte serie av AirRay-elektroder er nyttig for stimulering og opptak av nervvevet, og fungerer som ideelle grensesnitt til nervesystemet for medisinske enheter.
For eksempel gir AirRay-muffeelektroder et elektrisk grensesnitt til det perifere nervesystemet, mens rutenett- og stripeelektroder er designet for grensesnitt med sentralnervesystemet. AirRay-perkutane elektroder er ment for subkutan bruk, samt for opptak og stimulering av ryggmargen. Til slutt tilbyr AirRay-paddel-elektroder et elektrisk grensesnitt til sentralnervesystemet, spesielt rettet mot ryggmargen.
I tillegg til denne serien, inkluderer en av CorTecs patenterte løsninger også deres kortikale elektroder. Disse er CorTecs ECoG-elektroder for invasiv nevromonitorering. Gjennom disse elektrodene er det mulig å utføre overvåking av elektriske hjerne-signaler, som er i tråd med kravene for lokalisering av epileptogene fokuser eller hjernemapping. Elektrodene kan brukes i maksimalt 29 dager, og det er mulig å koble totalt 64 elektroder ved kun to kabler. Elektrodenkontaktene er nesten usynlige og låses trygt med materialet for å forhindre at de løsner fra silikonen.
Et av de mest kritiske aspektene ved CorTecs kortikale elektroder er at FDA har funnet dem egnet for godkjenning og markedsgodkjenning for invasiv nevromonitorering i sentralnervesystemet. Produktporteføljen inkluderer alle mulige kontaktoppsett fra 1×4 til 8×8 elektrokontakter.
I tillegg til betydelig offentlig finansiering, CorTec, i henhold til deres offisielle erklæring, har gjennomført fire finansieringsrunder. Deres nåværende investorer inkluderer Mangold Invest, M-Invest, Kfw, High-Tech Gründerfonds, Santo Venture Capital GmbH, LBBW Venture Capital, og K & S W Invest.
Den offentlige finansieringen inkluderer tilskudd fra det tyske føderale ministeriet for utdanning og forskning (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) og fra Den europeiske union.
#2. Atrotech
Et annet selskap som har gjort noe nisjeaktig, men banebrytende arbeid i dette området i flere tiår, er Atrotech. Grunnlagt i 1984 og lokalisert i Technopolis Hermia, Tampere, Finland, oppsto Atrotech som et resultat av tverrfaglige produktideer som kombinerte medisinsk og bioingeniørvitenskap, med hovedfokuset på funksjonell elektrisk stimulering (FES).
To av Atrotechs viktigste bidrag i dette feltet inkluderer design og produksjon av implanterbare nevrostimulatorer og implanterbare elektroder.
Ved utviklingen av elektrodene utnytter selskapet sine mer enn 30 år med ekspertise i produksjon av høykvalitets platinkontakt-elektroder, ledningsledere og multipol-ledningskontakter. Tjenesteområdet omfatter forskningsprosjekter, kliniske studier og kommersielt distribuerte medisinske enheter.
Selskapet har en fleksibel produksjonsprosess, som gjør det mulig å produsere små kvanta så vel som større volumer på en rask, kostnadseffektiv måte. I tillegg er selskapet i kontakt med flere leger og universiteter i de tidlige fasene av utvikling og prototyping av potensielle nye medisinske enheter.
En av studiene selskapet nylig finansierte hadde som mål å vurdere gjennomførbarhet og sikkerhet av en ny, fjernbar, kirurgisk implantert, midlertidig nevrostimuleringstilnærming som involverer den distale delen av frenisk nerve. For studien utviklet selskapet en spesialdesignet, midlertidig frenisk nerve-stimulator (tPNS) elektrode.
Slikt samarbeid mellom spesialiserte og industrifokuserte selskaper og en gruppe forskere og leger spredt over hele verden gjør fremtiden for intern elektronikk lysende og klar til å blomstre.
Den fremtidige utviklingen av intern elektronikk
Ifølge en nylig studie publisert i juli 2024 i tidsskriftet ‘Nature’, har forskere utviklet en implanterbar elektrode basert på bioresorbabel Mg‑Nd‑Zn‑Zr‑legering som vil fungere godt i en neste generasjons radiofrekvens (RF) vevssveiseapplikasjon.
Elektroden forventes å redusere termisk skade og øke anastomosestyrken. Designet med ulike strukturelle egenskaper av sylindrisk overflate (CS) og kontinuerlig lang ring (LR) i sveiseområdet, elektrodenes elektrotermiske simuleringer ble studert ved finitte elementanalyse (FEA).
Resultatene viste at gjennomsnittstemperaturen i sveiseområdet og andelen nekrotisk vev ble betydelig lavere når en vekselstrøm på 110 V ble påført i 10 sekunder på LR-elektroden. De maksimale og gjennomsnittlige temperaturene i vevet som ble sveist med LR-elektroden kunne også reduseres betydelig mens anastomosestyrken i det sveiste vevet forbedret seg.
Imec, et laboratorium grunnlagt i 1984 for å bistå og muliggjøre at halvlederindustrien kan skalere funksjonelt, har også gjort banebrytende fremskritt innen nano-skala implantater. Det har bidratt til å utvikle minimalt invasive implantater egnet for neste generasjons haptiske proteser. Prototypen av det implanterbare chipet som Imec har utviklet sammen med University of Florida gir pasienter mer intuitiv kontroll over armprotesene deres. En av de viktigste komponentene, den tynne silisiumchipen, er verdens første for elektrodensitet og ble utviklet som en del av IMPRESS-prosjektet finansiert av DARPA’s HAPTIX-program for å skape et lukket sløyfesystem for fremtidens haptiske proteseteknologi.
En av de vitenskapelige publikasjonene om viktigheten av karbonbasert implanterbar bioelektronikk gjorde en viktig observasjon om nytten av intern elektronikk. For å sitere ordrett, observerer publikasjonen:
“Fordi implanterbar bioelektronikk kan oppfatte kroppsinformasjon eller fremkalle kroppsreaksjoner i levende skapninger fra steder utenfor kroppen, blir de nyttige og lovende løsninger for en rekke plager.”
I fremtiden, vil karbonmaterialer spille en avgjørende rolle i produksjon av implanterbar medisinsk elektronikk. Disse fordelene inkluderer karbonmaterialers høye biokompatibilitet, tretthetsmotstand og lav spesifikk vekt. Disse materialene brukes i et bredt spekter av applikasjoner, inkludert legemiddelleveringsenheter, biosensorer, terapeutiske stimulatorer og energilagring. Alle disse egenskapene har en rolle i feltene nevrologi, kardiovaskulær, gastrointestinale og bevegelsessystemer.
Implanterbare aktuatorer, biosensorer, legemiddelleveringssystemer og strømkilder – alle drar nytte av fremskritt innen intern eller implanterbar elektronikk. Videre fremgang på dette området vil kreve en mer tverrfaglig tilnærming som involverer bioscience‑forskere, materialvitere og fysikere over hele verden.
