Intern elektronik – Överbrygga klyftan med guld

Marknaden för implantable medical devices är växer stadigt, drivet av en ökning av kroniska sjukdomar och ökad konsumentmedvetenhet. Hastigheten stöds starkt av teknologiska framsteg, vilket hjälper till att göra dessa enheter mer effektiva, bekväma och kostnadseffektiva. 

Siffrorna tyder på att market for implantable medical devices globalt kommer att nästan fördubblas på ett decennium, från US$105,7 miljarder år 2023 till US$207,0 miljarder år 2033. Idag ska vi börja med att titta på en av de mest definierande innovationerna inom detta område på senare tid, vilket också är ett symptom på det blomstrande området där medicinsk fysiologi möter effektiv elektronik. 

Guldnanotrådar och mjuka elektroder är redo att kopplas till nervsystemet 

Ett team av forskare vid Linköpings universitet har skapat guldnanotrådar och utvecklat mjuka elektroder som kan fungera likvärdigt med mänskliga nerver i deras töjbarhet, elektriska ledningsförmåga, och hållbarhet i kroppen. 

Forskare och experter ser enorm potential i denna innovation. Till att börja med, den öppnar upp fronter där det kan vara möjligt att använda guld i mjuka gränssnitt för att koppla elektronik till nervsystemet för medicinska ändamål. 

Om den används korrekt kan detta leda till lindring av tillstånd så komplexa som epilepsi, Parkinsons sjukdom, och förlamning samt så utbrett som kronisk smärta. 

Under en längre tid har forskare globalt varit intresserade av att skapa mjuka elektroder som inte skadar vävnaden. Denna specifika prestation av forskare vid Linköpings universitet hjälpte till att uppnå detta genom att skapa guldnanotrådar som var tusen gånger tunnare än ett hårstrå och inbäddade i ett elastiskt material som kan fungera som mjuka mikroelektroder. 

Klas Tybrandt, när han förklarade forskningsresultatens unikhet, hade följande att säga:

“Vi har lyckats skapa ett nytt, bättre nanomaterial från guldnanotrådar i kombination med mycket mjuk silikonrubber. Att få dessa att fungera tillsammans har resulterat i en ledare med hög elektrisk ledningsförmåga, som är mycket mjuk och tillverkad av biokompatibla material som fungerar med kroppen.”

Skapa guldnanotrådar: Utmaningar mötta och övervunna

En av de största svårigheterna forskarna mötte var produktionen av långa, smala guldnanostrukturer. Forskarna kom på ett unikt sätt att övervinna denna utmaning, nämligen genom att använda silvernanotrådar. När de förklarade hur detta unika resultat kunde uppnås, sade Klas Tybrant följande:

“Eftersom det är möjligt att tillverka silvernanotrådar, utnyttjar vi detta och använder silvernanotråden som en slags mall på vilken vi odlar guld. Nästa steg i processen är att avlägsna silvret. När det är gjort har vi ett material som innehåller över 99 procent guld.”

Ursprungligen kunde forskarna inte använda silver eftersom det är kemiskt reaktivt, slits med tiden och riskerar att brytas ner och missfärgas. Dessutom kan höga koncentrationer av silver vara giftiga för människokroppen. Därför var de tvungna att belägga det med guld.

När det gäller materialet de har utvecklat och dess hållbarhet tror forskarna att deras lösning kan hålla i minst tre år, vilket överträffar många tidigare utvecklade nanomaterial.

Snart kommer forskarteamet att börja arbeta med att förfina materialet och skapa olika typer av elektroder som blir ännu mindre och kan komma i närmare kontakt med nervceller.

Den mångsidiga världen av implantat

Även om nyttan av denna forskning redan har påpekats, finns det många andra implantables tillgängliga i med‑tech‑området. De hjälper till att göra diagnos och behandling mer konsekvent, prisvärd och effektiv. 

Till exempel har forskare vid Georgia Tech University utvecklat en implantabel, bärbar sensor som övervakar läkning av aneurysmer i hjärnans blodkärl. Eftersom den fungerar utan batterier kan den lindas runt stentar eller diverters som implanteras för att reglera blodflödet.

Sensorn skapas med aerosol‑jet 3D‑utskrift, som lägger ner ledande silverspår på elastomeriska substrat. Den sätts in via en kateter och använder induktiv koppling av signaler för trådlös detektering av biomimetisk cerebral aneurysm hemodynamik.

Processen involverar tre spolar. En spole fångar elektromagnetisk energi som sänds från en annan spole utanför kroppen. När blodet flödar genom stenten förändrar den implanterade sensorn sin kapacitans, vilket ändrar signalen som sänds till en tredje extern spole.

I ett annat exempel på liknande arbete har en grupp ingenjörer vid Texas A&M University utvecklat en enhet som använder grafen och injicerar växelström i huden för att övervaka blodtrycket. 

De kallas Graphene Electronic Tattoos, dessa klibbiga grafensensorer kan spåra kardiovaskulär hälsa via kontinuerlig övervakning. De kan fortsätta fungera och samla in relevant data även när patienten sover, tränar eller befinner sig i högstressituationer. 

Forskning pågår också för att fastställa hur dessa implantabla enheter kan utnyttja och använda energi. Till exempel har ett team av forskare vid Massachusetts Institute of Technology utvecklat ett batteri som hämtar sin kraft från glukos. Det nya batteriet är bara 400 nanometer tjockt, eller ungefär 1/100 av diametern på ett mänskligt hår. Det genererar cirka 43 mikrowatt per kvadratcentimeter elektricitet och kan tåla temperaturer upp till 600 °C. 

Forskarna använde ett ultratunt keramiskt substrat och en glukoslösning för att ge batteriet flexibilitet och göra det enkelt att placera i kroppen. 

Medan forskare arbetar för att komma på så många nya och unika teknologilösningar som möjligt, har vissa företag arbetat med att göra effektiva implantabla enheter tillgängliga för massadoption. I de kommande avsnitten kommer vi att titta på ett par sådana kommersiella lösningar. 

#1. CorTec

Ett av de företag som konsekvent levererat banbrytande lösningar är CorTec. Som ett ISO 13485‑företag, CorTec utvecklar och tillverkar produkter och komponenter för neuromodulation och aktiv implantatteknik i sina egna laboratorier och renrum.

CorTecs patenterade sortiment av AirRay‑elektroder visar sig vara användbara för stimulering och inspelning av nervvävnad, och fungerar som de ideala gränssnitten till nervsystemet för medicinska enheter.

Till exempel ger AirRay‑kuffelektroder ett elektriskt gränssnitt till det perifera nervsystemet, medan rutnäts‑ och strippelektroder är utformade för att interagera med centrala nervsystemet. AirRay‑perkutana elektroder är avsedda för subkutan användning samt för inspelning och stimulering av ryggmärgen. Slutligen erbjuder AirRay‑paddel‑elektroder ett elektriskt gränssnitt till centrala nervsystemet, specifikt riktat mot ryggmärgen.

Förutom detta sortiment inkluderar en av CorTecs patenterade lösningar dess kortikala elektroder. Dessa är CorTecs ECoG‑elektroder för invasiv neuromonitorering. Genom dessa elektroder är det möjligt att utföra övervakning av elektriska hjärnsignaler, vilket är i linje med kraven för lokalisering av epileptogena fokuser eller hjärnkartläggning. Elektroderna kan användas i maximalt 29 dagar, och det är möjligt att ansluta totalt 64 elektroder med endast två kablar. Elektrodkontakterna är nästan omärkbara och låser säkert med materialet för att förhindra att de separeras från silikonen.

En av de mest avgörande aspekterna av CorTecs kortikala elektroder är att FDA har funnit dem lämpliga för godkännande och marknadsgodkännande för invasiv neuromonitorering i centrala nervsystemet. Produktportföljen inkluderar alla möjliga kontaktarrangemang från 1×4 till 8×8 elektrodkontakter.

Förutom betydande offentliga medel har CorTec, enligt deras officiella deklaration, genomfört fyra finansieringsrundor. Deras nuvarande investerare inkluderar Mangold Invest, M‑Invest, KfW, High‑Tech Gründerfonds, Santo Venture Capital GmbH, LBBW Venture Capital och K & S W Invest.

Den offentliga finansieringen inkluderar bidrag från det tyska federala ministeriet för utbildning och forskning (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) samt Europeiska unionen.

#2. Atrotech

Ett annat företag som i årtionden har gjort något nischat men banbrytande arbete inom detta område är Atrotech. Företaget grundades 1984 och är beläget i Technopolis Hermia, Tammerfors, Finland, och uppstod som ett resultat av tvärvetenskapliga produktidéer som kombinerade medicin och bioingenjörsvetenskap, med huvudfokus på funktionell elektrisk stimulering (FES). 

Två av Atrotechs viktigaste bidrag inom detta område inkluderar design och tillverkning av implantable neurostimulators and implantable electrodes.

Vid utformning av elektroderna utnyttjar företaget sin mer än 30‑åriga expertis inom tillverkning av högkvalitativa platinakontakt‑elektroder, ledningskablar, och multipolkopplingar. Det tjänsteområde de betjänar omfattar forskningsprojekt, kliniska prövningar och kommersiellt distribuerade medicinska enheter.

Företaget har en flexibel produktionsprocess, vilket gör det möjligt att tillverka små kvantiteter såväl som större volymer på ett snabbt, kostnadseffektivt sätt. Dessutom har företaget kontakt med flera läkare och universitet i de tidiga stadierna av utveckling och prototypframtagning av potentiella nya medicinska enheter.

En av de studier som företaget nyligen finansierade syftade till att bedöma genomförbarheten och säkerheten för ett nytt, avtagbart, kirurgiskt implanterat, temporärt neurostimuleringsförfarande som involverar den distala delen av nervus phrenicus. För studien utvecklade företaget en speciellt designad, temporär stimulatorelektrod för nervus phrenicus (tPNS) electrode.

Ett sådant samarbete mellan specialist‑ och industrifokuserade företag samt ett nätverk av forskare och läkare över hela världen gör framtiden för intern elektronik ljus och redo att blomstra. 

Den framtida utvecklingen av intern elektronik

Enligt en nyligen publicerad studie i juli 2024 i tidskriften Nature, har forskare utvecklat en implanterbar elektrod baserad på bioresorberbar Mg‑Nd‑Zn‑Zr‑alloy som skulle fungera väl i en nästa generations radiofrekvens (RF) vävnads svetsningsapplikation.

Elektroden förväntas minska termisk skada och öka anastomostyrkan. Designad med olika strukturella egenskaper av cylindrisk yta (CS) och kontinuerlig lång ring (LR) i svetsområdet, elektrodernas elektrotermiska simuleringar har studerats med hjälp av finita elementmetoden (FEA).

Resultaten visade att medeltemperaturen i svetsområdet och andelen nekrotisk vävnad minskade avsevärt när en växelström på 110 V applicerades i 10 sekunder på LR‑elektroden. De maximala och genomsnittliga temperaturerna för vävnader som svetsats med LR‑elektroden kunde också minskas avsevärt samtidigt som anastomostyrkan för svetsad vävnad förbättrades.

Imec, ett laboratorium grundat 1984 för att stödja och möjliggöra halvledarindustrins funktionella skalning, har också gjort banbrytande framsteg inom nano‑skala implantat. Det har hjälpt till att utveckla minimalt invasiva implantat som är lämpliga för nästa generations haptiska proteser. Den prototypiska implanterbara chip som Imec har utvecklat tillsammans med University of Florida ger patienter mer intuitiv kontroll över sina armproteser. En av dess huvudkomponenter, den tunna kiselchipet, är världens första för elektrodensitet och utvecklades som en del av IMPRESS‑projektet som finansierats av DARPA:s HAPTIX‑program för att skapa ett sluten‑loop‑system för framtida haptiska proteser.

En av de vetenskapliga publikationerna om viktigheten av kolbaserade implanterbara bioelektronik gjorde en avgörande observation om nyttan av intern elektronik. Citat ordagrant, publikationen observerar:

“Eftersom implanterbar bioelektronik kan känna av kroppslig information eller framkalla kroppsliga reaktioner i levande varelser från platser utanför kroppen, blir de hjälpsamma och lovande lösningar för en rad olika åkommor.”

I framtiden kommer kolmaterial att spela en avgörande roll i tillverkning av implanterbar medicinsk elektronik. Dessa fördelar inkluderar kolmaterialens högkvalitativa biokompatibilitet, trötthetsresistens, och låga specifika vikt. Dessa material används i ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive läkemedelsleveranssystem, biosensorer, terapeutiska stimulatorer, och energilagring. Alla dessa egenskaper har en roll att spela inom områdena neurologi, kardiovaskulär, gastrointestinal, och locomotoriska system.

Implanterbara aktuatorer, biosensorer, läkemedelsleveranssystem och strömförsörjningar – alla drar nytta av framsteg inom området intern eller implanterbar elektronik. Vidare framsteg inom detta område kommer att kräva ett mer tvärvetenskapligt tillvägagångssätt som involverar bioscienforskare, materialvetare och fysiker världen över.

Klicka här för en lista över de bästa biotech‑aktierna.