Ny ultralydteknologi driver medisinske implantater trådløst

Utfordringen med å forsyne avanserte medisinske implantater med strøm

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.

I noen grad kan vi hevde at dette allerede skjer, med operasjoner som pacemaker-implantater eller hofteoperasjoner som utføres rutinemessig og supplerer problemer i hjertemuskelen eller leddene hos pasientene, og forbedrer dem med metalliske implantater.

Etter hvert som nevrale implantater og andre avanserte medisinske implantater blir en sannsynlig realitet i det kommende tiåret, er vi faktisk nærmere enn noen gang å skape ekte cybernetiske kropper.

Det er imidlertid fortsatt et tilbakevendende problem for de fleste medisinske implantater: strømforsyning. Pacemakere klarer seg med svært små batterier fordi de kun trenger svært begrensede strømnivåer. Men implantater som nevrale brikker vil sannsynligvis kreve mye mer energi.

Tradisjonelle trådløse ladningsmetoder, som elektromagnetisk induksjon og radiobølgebaserte systemer som vanligvis brukes i smarttelefoner og ørepropper, står overfor flere utfordringer.

De kan være utsatt for problemer som korte overføringsavstander, lav energieffektivitet i biologisk vev, og sårbarhet for elektromagnetisk interferens.

En annen metode kan bli mulig, ifølge arbeidet til forskere ved Korea University, Korea Institute of Science and Technology (KIST), Sungkyunkwan University (SKKU – Sør-Korea), Yonsei University (Sør-Korea) og University of California.

De utviklet en metode for å lade medisinske enheter trådløst ved hjelp av ultralyd i stedet. De publiserte oppdagelsen i Advanced Materials¹, under tittelen “A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging”.

Hvorfor trådløs energi har problemer med å trenge inn i menneskelig vev

Electronic implantable medical devices (IMDs) are used in therapeutic applications of diseases or injuries, such as neurostimulation therapy and cardiovascular curing/monitoring.

They need regular surgery for battery replacement, which can lead to patient complications such as surgical site infections, biofilm formation, and high healthcare costs.

Some methods look to use the ambient energy of the body, like that of blood sugar to power these devices.

For some applications, the power requirements make such options unrealistic. For future applications like neural implants, this is even less likely to work, which would keep them very invasive.

Remote transfer of energy with electromagnetic or radio wave systems penetrates poorly into biological tissues and can cause unwanted side effects.

Photovoltaic wireless energy transfer is also unsuitable due to issues with low light penetration inside tissue and thermal tissue damage.

In contrast, ultrasounds are well tolerated by biological tissues and can penetrate deeply without causing damage, which is why they are routinely used for diagnostic purposes, including on pregnant women.

Hvordan ultralyd muliggjør trådløs lading av implantater

Thanks to its long history of use in diagnostics, ultrasound already benefits from a large body of medical studies and norms determining the safe energy levels of ultrasounds that can be used (the FDA defines this as a maximum of 0.72 W per square centimeter).

Two types of devices can convert ultrasound to electricity: piezoelectric (US-PENGs) and triboelectric nanogenerators (US-TENGs).

US-PENGs have been developed for powering electronic implants, but commonly rely on lead-based piezoelectric ceramics, which are often rigid and may pose toxicity concerns.

It is why the researchers focused instead on US-TENG technology.

This biocompatible-covered device, with a thickness of 0.4 mm, achieves a high charge density suitable for powering electronic devices up to ≈6 cm deep at noninvasive ultrasound intensities.

Hvordan det fungerer

Thin polymeric films were used to create a fully flexible US-TENG, with layers of plastic material piled on each other, including acrylic or poly-(methyl methacrylate) (PMMA).

Kilde: Advanced Materials

Perfluoroalkoxy-alkaner (PFA) ble brukt for sine triboelektriske egenskaper under mekanisk energi. Et nanoskalalag av elektrode ble avsatt for å opprettholde de unike egenskapene til PFA-filmen.

Et robust lag av polyuretan (PU) og polyvinylidenfluorid-trifluoretylen, samt kalsiumkobbertitanat (P(VDF-TrFE)pol/CCTO) ble også brukt for å maksimere produksjonen av elektrisk ladning.

Kilde: Advanced Materials

Testing av ultralyd-drevne implantater under reelle forhold

The entire device was then encapsulated in a polydimethylsiloxane (PDMS) solution for waterproofing.

Hele enheten ble deretter innkapslet i en polydimetylsiloksan (PDMS)-løsning for vanntetting.

This flexible US-TENG was tested for performance in water, polymer/hydrogel, and porcine tissue.

Den første praktiske anvendelsen ville være å integrere denne enheten i en pacemaker slik at det ikke lenger er behov for ekstra kirurgi for å bytte batteri i enheten.

Kilde: Advanced Materials

Parallelt har biokompatibiliteten til P(VDF-TrFE)/CCTO-kompositten med hensyn til cytotoksisitet og genotoksisitet blitt bekreftet, og verifiserer at den er like trygg i praksis som tidligere studier har hevdet.

Energigenereringen ble nøyaktig målt ved hjelp av en laservibrasjonsmåler, som sjekket vibrasjonen av enheten. Dette bekreftet en 44 % forbedret gevinst for US-TENG sammenlignet med den rapporterte i forrige versjon av lignende teknologi.

Kilde: Advanced Materials

Til slutt testet de systemets effektivitet avhengig av ultralydintensitet, avstand og vinkel på ultralydkilden, for å fastslå om det kunne brukes under realistiske forhold for en medisinsk enhet i menneskekroppen.

Det bekreftet at relativt lav ultralydintensitet, avstand ned til 4–8 centimeter (1,5–3 tommer) og et relativt bredt vinkelområde kunne fungere.

Kilde: Advanced Materials

Sikring av fleksibilitet og holdbarhet for medisinske implantater

Another challenge of implantable medical devices is that they ideally need to be very flexible, because the human body is not a robotic frame and organs move, especially the cardiac muscle.

En annen utfordring med implanterbare medisinske enheter er at de ideelt sett må være svært fleksible, fordi menneskekroppen ikke er en robotramme og organer beveger seg, spesielt hjertemuskelen.

Derfor brukte forskerne ikke bare fleksible materialer, men målte også om de forble tilstrekkelig effektive når de ble bøyd.

Kilde: Advanced Materials

De fant at den mistet litt av energigenereringen når den ble bøyd i én retning, men faktisk økte når den ble bøyd i den andre retningen. Økningen i energigenerering skyldtes forbedret fangst av ultralydbølger i den skålformede enheten og økte bølgkollisjoner på enhetens overflate.

Dette demonstrerte likevel at enheten kunne bøyes uten å skade eller miste sine energigenererende egenskaper.

«Gjennom denne forskningen har vi demonstrert at trådløs kraftoverføringsteknologi ved bruk av ultralyd kan anvendes praktisk.

Vi planlegger å gjennomføre videre forskning for miniaturisering og kommersialisering for å akselerere den praktiske anvendelsen av teknologien.»

Dr. Sunghoon Hur – Researcher at KIST

Avsluttende tanker: Neste steg for ultralyd-implantatteknologi

Medical devices that could be recharged wirelessly would be a tremendous improvement for millions of patients globally.

Dette vil også fjerne begrensningen for mer ambisiøse implantatideer som hittil har vært begrenset av mangelen på en realistisk energikilde som er tilstrekkelig til å utføre oppgaven. Det kan inkludere implantater som leverer medisin direkte inn i blodstrømmen, overvåker spesifikke kjemikalier, nevrale implantater osv.

Denne implantatteknologien kan raskt implementeres, med kun 0,4 mm tykkelse, sterk fleksibilitet, god biokompatibilitet og enkel produksjon uten sjeldne eksotiske materialer.

Teknologien kan også finne anvendelser utenfor medisinske enheter, da den like lett kan brukes til å lade undervannsdroner uten kontakt, og dermed fjerne behovet for å lage vanntette elektriske ladere.

Investere i HealthTech 

Koninklijke Philips N.V.

Philips er et velkjent forbrukerelektronikkmerke (barbermaskiner, elektriske tannbørster), og er like aktiv innen helsevesenet. For eksempel var de nummer 1 for MedTech-patentinnlevering i Europa i 2022.

De er aktive innen tilkoblede medisinske produkter, fra wearables til bildediagnostikk, respiratorer eller medisinske roboter.

Selskapet er også aktivt innen halvledere (inkludert maglev-teknologi) og høyteknologi/robotikk/automatisering, med hver aktivitet som deler en felles teknologisk base.

Kilde: Philips

Philips tilbyr wearables for hjerte-, respirasjons- og aktivitetsmålinger. Sensorene deres kan integreres i smartklokker, helsesporere, medisinske plaster og aktivitetsmålere.

Philips’ ekspertise innen biokompatible sensorer, halvledere og trådløse løsninger kan gjøre dem til en leder innen avanserte medisinske implantater med trådløs lading.

For medisinske enheter, foretrekker Philips en partnerskapsløsning, hvor de utvikler for tredjepart deres tilkoblede IoT (Internet of Things) medisinske enheter som er fullt kompatible med resten av Philips’ løsninger. I den sammenhengen tilbyr de sine kunder prototyping, regulatorisk rådgivning, ende-til-ende produktutvikling og produksjon i industriell skala.

Dette gjør Philips til et teknologifokusert selskap og en sannsynlig kandidat for rask integrering av innovasjoner i eksisterende medisinske enheter. Til sammen påvirket Philips sine enheter direkte over 1,8+ milliarder mennesker.

Selskapet ønsker å skape et fullt integrert digitalt helsevesen, hvor sensorer matcher enheter, og deretter bruke flere tilkoblingsløsninger for å integrere i Philips HealthSuite Cloud-løsning og muliggjøre dyptgående dataanalyse.

Kilde: Philips

Som leverandør i MedTech-bransjen, ofte med produksjon for andre merker, er Philips ikke like synlig i sektoren som andre, mer fremtredende selskaper. Imidlertid er de eksperter på å bygge høyytelses elektroniske enheter og sensorer, og presser ofte grensene for hva som er mulig i deres nisje innen helsevesen og wearables.

Etter hvert som wearables og medisinsk elektronikk i økende grad integreres i helsevesen og medisinske protokoller, vil Philips’ Healthcare-segment sannsynligvis vokse som en del av konsernet.

Siste nyheter og utviklinger for Koninklijke Philips N.V. (PHG)-aksjen

Studierreferanse:

^{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. mai 2025}