อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายใน – เชื่อมช่องว่างด้วยทองคำ

ตลาดสำหรับ อุปกรณ์ทางการแพทย์แบบฝังได้ กำลังเติบโตอย่างต่อเนื่อง โดยได้แรงหนุนจากความผิดปกติเรื้อรังที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและความตระหนักรู้ของผู้บริโภคที่เพิ่มขึ้น ความเร็วดังกล่าวได้รับการสนับสนุนจากเทคโนโลยี ความก้าวหน้าช่วยให้อุปกรณ์เหล่านี้มีประสิทธิภาพ สะดวก และต้นทุนต่ำยิ่งขึ้น 

ตัวเลขบ่งบอกว่า ตลาดอุปกรณ์การแพทย์แบบฝัง ทั่วโลกจะเพิ่มขึ้นเกือบสองเท่าในหนึ่งทศวรรษ จาก 105.7 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2023 เป็น 207.0 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2033 วันนี้ เราจะเริ่มต้นด้วยการพิจารณาหนึ่งในนวัตกรรมที่โดดเด่นที่สุดในสาขานี้ในช่วงไม่กี่ครั้งที่ผ่านมา ซึ่งเป็นอาการของพื้นที่ที่เจริญรุ่งเรืองเช่นกัน โดยที่สรีรวิทยาทางการแพทย์ตัดกันกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพ 

ลวดนาโนสีทองและอิเล็กโทรดแบบอ่อนพร้อมที่จะเชื่อมต่อกับระบบประสาทแล้ว 

ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยลินเชอปิง มี สร้างลวดนาโนทองคำและพัฒนาอิเล็กโทรดแบบอ่อนที่สามารถทำได้ งาน เทียบเท่ากับเส้นประสาทของมนุษย์ใน ของพวกเขา ความสามารถในการยืดตัว การนำไฟฟ้า และความทนทานภายในร่างกาย 

นักวิจัยและผู้เชี่ยวชาญมองเห็นศักยภาพอันยิ่งใหญ่ในนวัตกรรมนี้ เริ่มต้นกับมันเปิดพรมแดน ที่ไหนก็ใช้ได้ ทองในอินเทอร์เฟซแบบซอฟต์เพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เข้ากับระบบประสาทเพื่อวัตถุประสงค์ทางการแพทย์ 

หากนำไปใช้อย่างถูกต้อง อาจส่งผลให้เงื่อนไขการบรรเทาที่ซับซ้อนพอ ๆ กับโรคลมบ้าหมู พาร์กินสัน โรคอัมพาต และเป็นความกังวลที่แพร่หลายพอๆ กับอาการปวดเรื้อรัง 

นักวิจัยทั่วโลกสนใจที่จะสร้างอิเล็กโทรดแบบอ่อนมาระยะหนึ่งแล้ว ที่ อย่าทำลาย เนื้อเยื่อ. ความสำเร็จเฉพาะนี้โดยนักวิจัยของมหาวิทยาลัยLinköpingช่วยให้บรรลุสิ่งนั้นได้ด้วยการสร้างลวดนาโนทองคำ ที่ บางกว่าผมพันเท่าและฝังอยู่ในวัสดุยืดหยุ่นที่สามารถทำหน้าที่เป็นไมโครอิเล็กโทรดแบบอ่อนได้ 

Klas Tybrandt ขณะเดียวกันก็อธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับความเป็นเอกลักษณ์ของการวิจัยและผลลัพธ์ของการวิจัย มีดังต่อไปนี้จะพูดว่า:

"เราได้ ประสบความสำเร็จในการสร้างวัสดุนาโนชนิดใหม่ที่ดีกว่าจากลวดนาโนทองคำร่วมกับยางซิลิโคนที่อ่อนนุ่มมาก การนำสิ่งเหล่านี้มาทำงานร่วมกันส่งผลให้ตัวนำมีค่าการนำไฟฟ้าสูง มีความอ่อนมาก และทำจากวัสดุที่เข้ากันได้ทางชีวภาพซึ่งทำงานร่วมกับร่างกาย".

การสร้างลวดนาโนทองคำ: พบกับความท้าทายและเอาชนะ

ปัญหาสำคัญประการหนึ่งที่นักวิจัยเผชิญคือการผลิตโครงสร้างนาโนทองคำที่ยาวและแคบ นักวิจัยได้ค้นพบวิธีการที่ไม่เหมือนใครในการเอาชนะความท้าทายนี้ ซึ่งก็คือการใช้ลวดนาโนเงิน อธิบายยังไง. ความสำเร็จอันเป็นเอกลักษณ์นี้สามารถบรรลุได้Klas Tybrant กล่าวดังต่อไปนี้:

"As มัน เป็นไปได้ที่จะสร้างลวดนาโนเงิน เราใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้ และใช้ลวดนาโนเงินเป็นแม่แบบสำหรับปลูกทองคำ ขั้นตอนต่อไปในกระบวนการคือการเอาเงินออก ครั้งหนึ่ง ที่ ทำเรามีวัสดุที่มีทองคำมากกว่า 99 เปอร์เซ็นต์อยู่ในนั้น".

เดิมที นักวิจัยไม่สามารถใช้เงินได้เนื่องจากมีปฏิกิริยาทางเคมี เสื่อมสภาพเมื่อเวลาผ่านไป และเสี่ยงต่อการแตกหักและการเปลี่ยนสี นอกจากนี้ความเข้มข้นของเงินที่สูงยังอาจเป็นพิษต่อร่างกายมนุษย์ได้ ดังนั้นพวกเขาจึงต้องเคลือบมันด้วยทองคำ

เมื่อพิจารณาจากวัสดุที่พวกเขาคิดค้นและความทนทาน นักวิจัยเชื่อว่าโซลูชันดังกล่าวจะใช้งานได้นานอย่างน้อยสามปี ซึ่งเหนือกว่านาโนวัสดุหลายชนิดที่พัฒนามาก่อน

เร็วๆ นี้ ทีมวิจัยจะเริ่มดำเนินการปรับปรุงวัสดุและสร้างอิเล็กโทรดประเภทต่างๆ ที่จะมีขนาดเล็กลงอีกและเป็นไปได้ที่จะทำให้สัมผัสกับเซลล์ประสาทได้มากขึ้น

โลกแห่งการปลูกถ่ายที่หลากหลาย

แม้ว่าจะมีการกล่าวถึงประโยชน์ของงานวิจัยนี้แล้วก็ตาม มี อุปกรณ์ปลูกฝังอื่นๆ อีกมากมายที่มีอยู่ในพื้นที่เทคโนโลยีการแพทย์. ช่วยให้การวินิจฉัยและการรักษามีความสม่ำเสมอ ราคาไม่แพง และมีประสิทธิภาพมากขึ้น 

ยกตัวอย่างเช่น นักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีจอร์เจียได้พัฒนาเซ็นเซอร์แบบฝังและสวมใส่ได้ ซึ่งทำหน้าที่ตรวจสอบการสมานตัวของหลอดเลือดโป่งพองในหลอดเลือดสมอง เนื่องจากเซ็นเซอร์นี้ทำงานโดยไม่ต้องใช้แบตเตอรี่ จึงสามารถพันรอบขดลวดหรือไดเวอร์เตอร์ที่ฝังไว้เพื่อควบคุมการไหลเวียนของเลือดได้

เซ็นเซอร์ถูกสร้างขึ้นโดยใช้การพิมพ์แบบสเปรย์ฉีด 3 มิติ ซึ่งวางร่องรอยเงินที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าไว้บนพื้นผิวอีลาสโตเมอร์ โดยใส่ผ่านสายสวน โดยจะใช้การเชื่อมต่อแบบเหนี่ยวนำของสัญญาณสำหรับการตรวจจับแบบไร้สายของการไหลเวียนโลหิตของหลอดเลือดโป่งพองในสมองแบบ biomimetic

กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับขดลวดสามม้วน คอยล์หนึ่งจับพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่งจากอีกคอยล์ภายนอกร่างกาย ขณะที่เลือดไหลผ่านขดลวด เซ็นเซอร์ที่ฝังจะเปลี่ยนความจุ โดยเปลี่ยนสัญญาณที่ส่งไปยังขดลวดภายนอกตัวที่สาม

ในอีกกรณีหนึ่งของสายงานที่คล้ายกัน กลุ่มวิศวกรที่ Texas A&M University ได้พัฒนาอุปกรณ์ที่ใช้กราฟีนและฉีด AC เข้าไปในผิวหนังเพื่อตรวจสอบความดันโลหิต 

เซ็นเซอร์กราฟีนแบบติดได้ที่เรียกว่ารอยสักอิเล็กทรอนิกส์แบบกราฟีนสามารถติดตามสุขภาพหัวใจและหลอดเลือดผ่านการตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง พวกเขาสามารถทำงานและรวบรวมข้อมูลที่เกี่ยวข้องต่อไปได้แม้ว่าผู้ป่วยจะนอนหลับ ออกกำลังกาย หรือกำลังเผชิญกับประสบการณ์ก็ตาม สถานการณ์ที่มีความเครียดสูง 

การวิจัยยังอยู่ระหว่างดำเนินการเพื่อพิจารณาว่าอุปกรณ์ฝังเหล่านี้สามารถควบคุมและใช้พลังงานได้อย่างไร ตัวอย่างเช่น ทีมนักวิจัยของสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ ได้พัฒนาแบตเตอรี่ที่ดึงพลังงานจากกลูโคส แบตเตอรี่ชนิดใหม่นี้มีความหนาเพียง 400 นาโนเมตร หรือประมาณ 1/100 ของเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผมมนุษย์ ผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 43 ไมโครวัตต์ต่อตารางเซนติเมตรและสามารถทนได้ อุณหภูมิสูงถึง 600 ° C 

นักวิจัยได้ใช้สารตั้งต้นเซรามิกบางเฉียบและสารละลายกลูโคสเพื่อช่วยให้แบตเตอรี่มีความยืดหยุ่น และทำให้สะดวกในการวางภายในร่างกาย 

ขณะที่นักวิจัยกำลังทำงานอยู่นั้น มากับ บริษัทบางแห่งกำลังดำเนินการผลิตอุปกรณ์ฝังรากเทียมที่มีประสิทธิภาพเพื่อให้นำไปใช้งานในวงกว้างได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ในส่วนต่อๆ ไปเราจะ มองเข้าไปใน โซลูชันทางการค้าสองสามรายการดังกล่าว 

#1 คอร์เทค

หนึ่ง ของบริษัทที่ได้นำเสนอโซลูชั่นที่ก้าวล้ำอย่างต่อเนื่อง คือ CorTec บริษัท ISO 13485 CorTec พัฒนาและผลิตผลิตภัณฑ์และส่วนประกอบสำหรับเทคโนโลยีการปรับระบบประสาทและการปลูกถ่ายแบบแอคทีฟ ในห้องปฏิบัติการภายในและโครงสร้างพื้นฐานของห้องคลีนรูม 

คอร์เทค กลุ่มอิเล็กโทรด AirRay ที่ได้รับการจดสิทธิบัตรพิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์สำหรับ การกระตุ้นและการบันทึกของ เนื้อเยื่อประสาทซึ่งทำหน้าที่เป็นส่วนต่อประสานที่เหมาะสมกับระบบประสาทสำหรับอุปกรณ์การแพทย์ 

ตัวอย่างเช่น อิเล็กโทรดที่ข้อมือ AirRay มีส่วนเชื่อมต่อทางไฟฟ้ากับระบบประสาทส่วนปลาย ในขณะที่อิเล็กโทรดแบบกริดและแถบได้รับการออกแบบสำหรับเชื่อมต่อกับระบบประสาทส่วนกลาง อิเล็กโทรดผ่านผิวหนัง AirRay มีไว้สำหรับการใช้งานใต้ผิวหนัง เช่นเดียวกับการบันทึกและกระตุ้นไขสันหลัง สุดท้าย อิเล็กโทรดแบบพาย AirRay นำเสนออินเทอร์เฟซทางไฟฟ้าไปยังระบบประสาทส่วนกลาง โดยมุ่งเป้าไปที่ไขสันหลังโดยเฉพาะ

นอกเหนือจากช่วงนี้แล้ว หนึ่งใน คอร์เทค โซลูชั่นที่ได้รับการจดสิทธิบัตรยังรวมถึง Cortical Electrodes ด้วย เหล่านี้คือ คอร์เทค อิเล็กโทรด ECoG สำหรับการตรวจติดตามระบบประสาทแบบรุกราน- ผ่านอิเล็กโทรดเหล่านี้สามารถตรวจสอบสัญญาณไฟฟ้าของสมองได้ซึ่งก็คือ สอดคล้องกับข้อกำหนดของการแปลจุดโฟกัสของโรคลมชักหรือ การทำแผนที่สมอง- อิเล็กโทรดก็ได้ นำมาใช้ สูงสุด 29 วัน และสามารถเชื่อมต่ออิเล็กโทรดทั้งหมด 64 อิเล็กโทรดโดยใช้สายเคเบิลเพียงสองเส้น หน้าสัมผัสอิเล็กโทรดแทบจะมองไม่เห็นและล็อคอย่างปลอดภัยด้วยวัสดุเพื่อป้องกันการแยกออกจากซิลิโคน

สิ่งสำคัญที่สุดประการหนึ่งของ คอร์เทค อิเล็กโทรดเยื่อหุ้มสมองคือ FDA พบว่าเหมาะสมสำหรับการอนุมัติและการผ่านตลาดสำหรับการตรวจติดตามระบบประสาทที่รุกรานในระบบประสาทส่วนกลาง กลุ่มผลิตภัณฑ์ประกอบด้วยการจัดเตรียมหน้าสัมผัสที่เป็นไปได้ทั้งหมดตั้งแต่หน้าสัมผัสอิเล็กโทรด 1×4 ถึง 8×8

นอกเหนือจากการระดมทุนสาธารณะที่สำคัญแล้ว CorTec ตามประกาศอย่างเป็นทางการได้ระดมทุนมาสี่รอบแล้ว รายชื่อนักลงทุนในปัจจุบัน ได้แก่ Mangold Invest, M-Invest, Kfw, High-Tech Gruenderfonds, Santo Venture Capital GmbH, LBBW Venture Capital และ K & SW Invest 

เงินทุนสาธารณะประกอบด้วยเงินอุดหนุนจากกระทรวงศึกษาธิการและการวิจัยแห่งสหพันธรัฐเยอรมนี (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) และสหภาพยุโรป

#2 แอโทรเทค

อีกบริษัทหนึ่งที่ทำงานเฉพาะกลุ่มแต่พลิกเกมในพื้นที่นี้มานานหลายทศวรรษคือ Atrotech Atrotech ก่อตั้งขึ้นในปี 1984 และตั้งอยู่ในเมือง Technopolis Hermia เมือง Tampere ประเทศฟินแลนด์ โดยเป็นผลมาจาก แนวคิดผลิตภัณฑ์สหวิทยาการที่ผสมผสานการแพทย์และวิศวกรรมชีวภาพ วิทยาศาสตร์ โดยเน้นกิจกรรมหลักในด้านการกระตุ้นด้วยไฟฟ้าเชิงฟังก์ชัน (FES) 

สองแห่ง แอตโทรเทค การสนับสนุนที่สำคัญในสาขานี้ ได้แก่ การออกแบบและการผลิต เครื่องกระตุ้นประสาทแบบฝังและอิเล็กโทรดแบบฝัง 

ในการออกแบบอิเล็กโทรด บริษัทใช้ความเชี่ยวชาญในการผลิตมากกว่า 30 ปี อิเล็กโทรดสัมผัสแพลตตินัมคุณภาพสูง, สายไฟ และขั้วต่อสายไฟแบบหลายขั้ว พื้นที่ให้บริการที่รองรับ รวมถึงโครงการวิจัย การทดลองทางคลินิก และอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่จำหน่ายในเชิงพาณิชย์ 

บริษัท มี กระบวนการผลิตที่ยืดหยุ่นทำให้สามารถ ผลิตในปริมาณน้อย รวมถึงปริมาณที่มากขึ้นในลักษณะที่รวดเร็วและคุ้มค่า- นอกจากนี้ บริษัทยังติดต่อกับแพทย์และมหาวิทยาลัยหลายแห่งในระยะเริ่มต้น ของการพัฒนาและการสร้างต้นแบบ of อุปกรณ์การแพทย์ใหม่ที่มีศักยภาพ

หนึ่งในการศึกษา บริษัทเพิ่งได้รับทุนสนับสนุน มีวัตถุประสงค์เพื่อประเมิน ความเป็นไปได้และความปลอดภัยของวิธีการกระตุ้นระบบประสาทชั่วคราวแบบถอดได้ ผ่าตัดปลูกถ่าย ซึ่งเกี่ยวข้องกับส่วนปลายของเส้นประสาทฟินิก สำหรับการศึกษานี้ทางบริษัทได้พัฒนาแบบที่ออกแบบเป็นพิเศษ, อิเล็กโทรดกระตุ้นเส้นประสาท Phrenic ชั่วคราว (tPNS) 

การทำงานร่วมกันระหว่างบริษัทผู้เชี่ยวชาญและบริษัทที่มุ่งเน้นอุตสาหกรรม ตลอดจนกลุ่มนักวิจัยและแพทย์ที่กระจายอยู่ทั่วโลก ทำให้อนาคตของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายในดูสดใสและพร้อมที่จะเจริญรุ่งเรือง 

วิถีอนาคตของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายใน

ตามที่เมื่อเร็ว ๆ นี้ งานวิจัยที่ตีพิมพ์ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2024 ในวารสาร 'ธรรมชาติจ ', นักวิจัยได้พัฒนาอิเล็กโทรดแบบฝังที่ใช้โลหะผสม Mg-Nd-Zn-Zr ที่ดูดซับได้ทางชีวภาพ ซึ่งจะทำงานได้ดีในการเชื่อมเนื้อเยื่อด้วยความถี่วิทยุ (RF) ยุคถัดไป

อิเล็กโทรด คาดว่า เพื่อลดความเสียหายจากความร้อนและเพิ่มความแข็งแรงทางกายวิภาค ออกแบบโดยมีคุณสมบัติโครงสร้างที่แตกต่างกันของพื้นผิวทรงกระบอก (CS) และวงแหวนยาวต่อเนื่อง (LR) ในพื้นที่เชื่อม อิเล็กโทรด การจำลองความร้อนด้วยไฟฟ้า ได้รับการศึกษา โดยการวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด (FEA)

ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิเฉลี่ยในพื้นที่การเชื่อมและสัดส่วนของเนื้อเยื่อเนื้อตายลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อใช้กระแสสลับ 110 V เป็นเวลา 10 วินาทีกับอิเล็กโทรด LR อุณหภูมิสูงสุดและเฉลี่ยของเนื้อเยื่อที่เชื่อมด้วยอิเล็กโทรด LR ก็สามารถลดลงได้อย่างมากเช่นกัน ในขณะที่ความแข็งแรงทางกายวิภาคของเนื้อเยื่อที่เชื่อมดีขึ้น

Imec ซึ่งเป็นห้องปฏิบัติการที่ก่อตั้งในปี 1984 เพื่อช่วยเหลือและช่วยให้อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ขยายขนาดตามการใช้งานได้ ยังได้บุกเบิกความก้าวหน้าในด้านการปลูกฝังในระดับนาโนอีกด้วย โดยได้ช่วยพัฒนาการปลูกถ่ายที่มีการบุกรุกน้อยที่สุดซึ่งเหมาะสำหรับอุปกรณ์เทียมระบบสัมผัสแห่งอนาคต ชิปฝังต้นแบบที่ Imec ได้พัฒนาร่วมกับมหาวิทยาลัยฟลอริดา ช่วยให้ผู้ป่วยควบคุมแขนเทียมได้ง่ายขึ้น หนึ่งในองค์ประกอบหลักคือชิปซิลิคอนแบบบางคือ ของโลก อันดับแรกสำหรับความหนาแน่นของอิเล็กโทรด และ ได้รับการพัฒนาโดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ IMPRESS ซึ่งได้รับทุนสนับสนุนจาก ดาร์ปา โปรแกรม HAPTIX เพื่อสร้างระบบวงปิดสำหรับเทคโนโลยีอวัยวะเทียมระบบสัมผัสแห่งอนาคต

หนึ่งในสิ่งพิมพ์ทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับ ความสำคัญของไบโออิเล็กทรอนิกส์แบบฝังที่มีคาร์บอน ได้ตั้งข้อสังเกตที่สำคัญเกี่ยวกับประโยชน์ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายใน หากต้องการอ้างอิงคำต่อคำ สิ่งพิมพ์จะตั้งข้อสังเกต:

"เนื่องจากไบโออิเล็กทรอนิกส์แบบฝังสามารถรับรู้ข้อมูลทางร่างกายหรือกระตุ้นปฏิกิริยาทางร่างกายในสิ่งมีชีวิตจากบริเวณภายนอกร่างกายได้ สิ่งเหล่านี้จึงกลายเป็นวิธีการเยียวยาที่มีประโยชน์และมีแนวโน้มสำหรับโรคภัยไข้เจ็บต่างๆ".

ในอนาคต, วัสดุคาร์บอนจะมีบทบาทสำคัญในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์แบบฝัง ข้อดีเหล่านี้ได้แก่คาร์บอน วัสดุ' ความเข้ากันได้ทางชีวภาพคุณภาพสูง ความต้านทานต่อความล้า และความถ่วงจำเพาะต่ำ วัสดุเหล่านี้ถูกนำมาใช้ในวงกว้าง การใช้งานต่างๆ รวมถึงอุปกรณ์นำส่งยา ไบโอเซนเซอร์ เครื่องกระตุ้นการรักษา และการเก็บสะสมพลังงาน คุณสมบัติทั้งหมดนี้มีบทบาทในด้านระบบประสาท ระบบหัวใจและหลอดเลือด ระบบทางเดินอาหาร และการเคลื่อนไหว

แอคชูเอเตอร์แบบฝังได้ ไบโอเซนเซอร์ ระบบนำส่งยา และอุปกรณ์จ่ายไฟ ล้วนได้รับประโยชน์จากความก้าวหน้าในด้านอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายในหรือแบบฝังได้ ความก้าวหน้าเพิ่มเติมในด้านนี้จะต้องอาศัยแนวทางแบบแยกส่วนที่เกี่ยวข้องกับนักวิจัยด้านวิทยาศาสตร์ชีวภาพ นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ และนักฟิสิกส์ทั่วโลก

คลิกที่นี่เพื่อดูรายชื่อหุ้นเทคโนโลยีชีวภาพชั้นนำ