Internal Electronics – Pag-ugnay ng Agwat gamit ang Ginto

Ang merkado para sa implantable medical devices ay patuloy na lumalago, na pinapagana ng pagtaas ng mga chronic na karamdaman at pagtaas ng kamalayan ng mga mamimili. Ang bilis ay matibay na sinusuportahan ng mga teknolohikal na pag-unlad, na tumutulong upang gawing mas epektibo, maginhawa, at murang ang mga aparatong ito. 

Sinasabi ng mga numero na ang merkado para sa implantable medical devices sa buong mundo ay halos doblehin sa loob ng isang dekada, mula US$105.7 bilyon noong 2023 hanggang US$207.0 bilyon noong 2033. Ngayon, sisimulan natin sa pagtingin sa isa sa pinaka-mahalagang inobasyon sa larangang ito kamakailan, na sumasagisag din sa masiglang espasyo kung saan nagtatagpo ang medikal na pisyolohiya at epektibong elektronika. 

Gold Nanowires at Soft Electrodes ay Handa nang Ikonekta sa Nervous System 

Ang isang koponan ng mga mananaliksik sa Linköping University ay lumikha ng gold nanowires at nag-develop ng soft electrodes na maaaring gumana nang katumbas ng mga ugat ng tao sa kanilang kakayahang humabaan, konduksyon ng kuryente, at tibay sa loob ng katawan. 

Nakikita ng mga mananaliksik at eksperto ang napakalaking potensyal sa inobasyong ito. Sa simula, binubuksan nito ang mga hangganan kung saan maaaring magamit ang ginto sa malambot na interface upang ikonekta ang elektronika sa nervous system para sa medikal na layunin. 

Kung maayos na ilalapat, maaari nitong mapagaan ang mga kondisyon na kasing kumplikado ng epilepsy, Parkinson’s disease, at paralisis, pati na rin ang pangkaraniwang suliranin tulad ng chronic pain. 

Sa matagal nang panahon, interesado ang mga mananaliksik sa buong mundo sa paglikha ng soft electrodes na hindi nasisira ang tisyu. Ang partikular na tagumpay na ito ng mga mananaliksik sa Linköping University ay nakamit ito sa pamamagitan ng paglikha ng gold nanowires na libong beses mas manipis kaysa buhok at nakapaloob sa isang elastikong materyal na maaaring magsilbing soft microelectrodes. 

Klas Tybrandt, habang inilalahad ang pagiging natatangi ng pananaliksik at mga kinalabasan nito, ay nagsabi ng sumusunod:

“Nagtagumpay kami sa paggawa ng isang bago, mas mahusay na nanomaterial mula sa gold nanowires na pinagsama sa napakalambot na silicone rubber. Ang pagsasama ng mga ito ay nagbunga ng isang konduktor na may mataas na electrical conductivity, napakababa at gawa sa mga biocompatible na materyales na gumagana kasama ang katawan.”

Paglikha ng Gold Nanowires: Mga Hamon na Natugunan at Nalampasan

Isa sa mga pangunahing kahirapan na hinarap ng mga mananaliksik ay ang paggawa ng mahahaba at manipis na gold nanostructures. Nakahanap ang mga mananaliksik ng natatanging paraan upang malampasan ito, at iyon ay sa pamamagitan ng paggamit ng silver nanowires. Ipinapaliwanag kung paano naabot ang natatanging gawaing ito, sinabi ni Klas Tybrant ang sumusunod:

“Dahil posible ang paggawa ng silver nanowires, sinasamantala namin ito at ginagamit ang silver nanowire bilang isang uri ng template kung saan pinalaki namin ang ginto. Ang susunod na hakbang sa proseso ay alisin ang silver. Kapag natapos na iyon, mayroon kaming materyal na may higit sa 99 porsyento ng ginto.”

Orihinal, hindi magamit ng mga mananaliksik ang silver dahil ito ay kemikal na reaktibo, naluluma sa paglipas ng panahon, at may panganib na masira at magdiscolor. Bukod pa rito, ang mataas na konsentrasyon ng silver ay maaaring nakakalason sa katawan ng tao. Kaya kinailangan nila itong balutin ng ginto.

Tungkol sa materyal na kanilang nabuo at ang tibay nito, naniniwala ang mga mananaliksik na ang kanilang solusyon ay maaaring tumagal ng hindi bababa sa tatlong taon, na humihigit sa maraming naunang nabuo na nanomaterials.

Sa lalong madaling panahon, sisimulan ng pangkat ng pananaliksik ang pagpapahusay ng materyal at paglikha ng iba’t ibang uri ng electrodes na mas maliit pa at maaaring ilapit nang mas malapit sa mga selula ng ugat.

Ang Iba’t Ibang Mundo ng mga Implantable

Habang ang kapakinabangan ng pananaliksik na ito ay nabanggit na, may maraming iba pang implantables na available sa med-tech space. Tinutulungan nila na gawing mas pare-pareho, abot-kaya, at epektibo ang diagnosis at paggamot. 

Halimbawa, ang mga siyentipiko sa Georgia Tech University ay nakabuo ng isang implantable, wearable sensor na nagmomonitor ng paggaling ng mga aneurysm sa loob ng mga daluyan ng dugo ng utak. Dahil ito ay gumagana nang walang baterya, maaari itong iikot sa mga stent o diverter na ini-implant upang kontrolin ang daloy ng dugo.

Ang sensor ay nilikha gamit ang aerosol jet 3D printing, na naglalagay ng conductive silver traces sa elastomeric substrates. Ipinapasok sa pamamagitan ng catheter, ito ay gumagamit ng inductive coupling ng mga signal para sa wireless detection ng biomimetic cerebral aneurysm hemodynamics.

Ang proseso ay gumagamit ng tatlong coil. Ang isang coil ay kumukuha ng electromagnetic energy na ipinadala mula sa isa pang coil sa labas ng katawan. Habang dumadaloy ang dugo sa stent, binabago ng implant na sensor ang capacitance nito, na nagbabago ng signal na ipinapadala sa ikatlong external coil.

Sa isa pang halimbawa ng katulad na gawain, isang grupo ng mga inhinyero sa Texas A&M University ang nakabuo ng isang aparato na gumagamit ng graphene at nag-iinject ng AC sa balat upang subaybayan ang presyon ng dugo. 

Tinatawag na Graphene Electronic Tattoos, ang mga nakadikit na graphene sensor na ito ay maaaring subaybayan ang kalusugan ng cardiovascular sa pamamagitan ng patuloy na monitoring. Maaari silang magpatuloy na gumana at mangolekta ng kaugnay na datos kahit na natutulog, nag-eehersisyo, o nasa mataas na stress na sitwasyon ang pasyente. 

Isinasagawa rin ang pananaliksik upang matukoy kung paano maaaring gamitin at pagsamantalahan ng mga implantable device ang enerhiya. Halimbawa, isang pangkat ng mga mananaliksik mula sa Massachusetts Institute of Technology ang nakabuo ng baterya na kumukuha ng enerhiya mula sa glucose. Ang bagong baterya ay may kapal na 400 nanometers lamang, o halos 1/100 ng diyametro ng buhok ng tao. Ito ay gumagawa ng humigit-kumulang 43 microwatts bawat square centimeter ng kuryente at kayang tiisin ang temperatura hanggang 600 °C.

Gumamit ang mga mananaliksik ng ultra-thin ceramic substrate at glucose solution upang bigyan ng flexibility ang baterya at gawing maginhawa ang paglalagay nito sa loob ng katawan.

Habang nagsusumikap ang mga mananaliksik na lumikha ng maraming bago at natatanging solusyon sa teknolohiya, may ilang kumpanya na nagtatrabaho upang gawing epektibo ang mga implantable device para sa malawak na paggamit. Sa mga susunod na bahagi, titingnan natin ang ilang komersyal na solusyon.

#1. CorTec

Isa sa mga kumpanya na patuloy na naghahatid ng mga makabagong solusyon ay ang CorTec. Bilang isang ISO 13485 na kumpanya, ang CorTec ay nagde-develop at gumagawa ng mga produkto at komponent para sa neuromodulation at active implant technology sa kanilang sariling mga laboratoryo at clean room infrastructure.

Ang patented na hanay ng AirRay electrodes ng CorTec ay kapaki-pakinabang para sa stimulation at recording ng nervous tissue, na nagsisilbing perpektong interface sa nervous system para sa mga medikal na aparato.

Halimbawa, ang AirRay cuff electrodes ay nagbibigay ng electrical interface sa peripheral nervous system, samantalang ang grid at strip electrodes ay dinisenyo para sa pakikipag-ugnayan sa central nervous system. Ang AirRay percutaneous electrodes ay inilaan para sa subcutaneous na paggamit, pati na rin para sa pag-record at pag-stimulate ng spinal cord. Sa huli, ang AirRay paddle electrodes ay nag-aalok ng electrical interface sa central nervous system, partikular na target ang spinal cord.

Bukod sa hanay na ito, isa sa mga patented na solusyon ng CorTec ay kinabibilangan ng kanilang Cortical Electrodes. Ito ay ang CorTec’s ECoG electrodes para sa invasive neuromonitoring. Sa pamamagitan ng mga electrode na ito, posible ang pag-monitor ng electrical brain signals, na naaayon sa pangangailangan ng pag-localize ng epileptogenic foci o brain mapping. Ang mga electrode ay maaaring magamit nang hanggang 29 araw, at posible na ikonekta ang kabuuang 64 electrode gamit lamang ang dalawang kable. Ang mga electrode contact ay halos hindi nararamdaman at ligtas na nakakandado sa materyal upang maiwasan ang kanilang paghiwalay mula sa silicone.

Isa sa pinakamahalagang aspeto ng cortical electrodes ng CorTec ay ang pag-apruba at market clearance ng FDA para sa invasive neuromonitoring sa central nervous system. Ang portfolio ng produkto ay kinabibilangan ng lahat ng posibleng contact arrangements mula 1×4 hanggang 8×8 electrode contacts.

Bukod sa malaking pampublikong pondo, ang CorTec, ayon sa opisyal nitong pahayag, ay nakalikom ng apat na round ng financing. Ang listahan ng kasalukuyang mga investor nito ay kinabibilangan ng Mangold Invest, M-Invest, Kfw, High-Tech Gruenderfonds, Santo Venture Capital GmbH, LBBW Venture Capital, at K & S W Invest.

Ang pampublikong pondo ay kinabibilangan ng mga subsidiya mula sa German Federal Ministry of Education and Research (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) at sa European Union.

#2. Atrotech

Isa pang kumpanya na gumagawa ng medyo niche ngunit makabuluhang trabaho sa larangang ito sa loob ng mga dekada ay ang Atrotech. Itinatag noong 1984 at matatagpuan sa Technopolis Hermia, Tampere, Finland, ang Atrotech ay lumitaw bilang resulta ng interdisciplinary na mga ideya ng produkto na pinagsama ang medisina at bioengineering sciences, na ang pangunahing pokus ng mga aktibidad ay nasa larangan ng functional electrical stimulation (FES). 

Dalawa sa mga pangunahing ambag ng Atrotech sa larangang ito ay ang pagdidisenyo at paggawa ng implantable neurostimulators at implantable electrodes.

Sa pagbuo ng mga electrode, ginagamit ng kumpanya ang higit sa 30 taong karanasan sa paggawa ng high-quality platinum contact electrodes, lead wires, at multipole lead connectors. Ang saklaw ng serbisyo nito ay kinabibilangan ng mga research projects, clinical trials, at mga komersyal na ipinamamahaging medikal na aparato.

Ang kumpanya ay may flexible na proseso ng produksyon, na nagpapahintulot na gumawa ng maliit na dami pati na rin ng mas malaking volume sa mabilis at cost-effective na paraan. Dagdag pa, ang kumpanya ay nakikipag-ugnayan sa maraming doktor at unibersidad sa mga unang yugto ng pag-develop at prototyping ng mga posibleng bagong medikal na aparato.

Isa sa mga pag-aaral na kamakailan lamang pinondohan ng kumpanya ay naglalayong tasahin ang feasibility at kaligtasan ng isang bago, removable, surgically implanted, temporary neurostimulation approach na kinabibilangan ng distal portion ng phrenic nerve. Para sa pag-aaral, nag-develop ang kumpanya ng espesyal na disenyo, temporary phrenic nerve stimulator (tPNS) electrode.

Ang ganitong kolaborasyon sa pagitan ng mga espesyalistang kumpanya at mga kumpanyang nakatuon sa industriya, pati na rin ng isang grupo ng mga mananaliksik at doktor na nakakalat sa buong mundo, ay nagpapakita ng maliwanag at handang umunlad na kinabukasan para sa internal electronics. 

Ang Hinaharap na Landas ng Internal Electronics

Ayon sa isang kamakailang pananaliksik na inilathala noong Hulyo 2024 sa journal na ‘Nature’, nakabuo ang mga mananaliksik ng isang implantable electrode na batay sa bioresorbable Mg-Nd-Zn-Zr alloy na magiging epektibo sa susunod na henerasyon ng radiofrequency (RF) tissue welding application.

Inaasahan na ang electrode ay magbabawas ng thermal damage at magpapataas ng anastomotic strength. Dinisenyo na may iba’t ibang structural features ng cylindrical surface (CS) at continuous long ring (LR) sa welding area, ang electrothermal simulations ng electrode ay pinag-aralan gamit ang finite element analysis (FEA).

Ipinakita ng mga resulta na ang mean temperature sa welding area at ang proporsyon ng necrotic tissue ay naging makabuluhang mas mababa kapag nag-apply ng alternating current na 110 V sa loob ng 10 segundo sa LR electrode. Ang maximum at mean temperatures ng mga tissue na na-weld ng LR electrode ay maaari ring mabawasan nang malaki habang ang anastomotic strength ng welded tissue ay nag-improve.

Ang Imec, isang laboratoryo na itinatag noong 1984 upang tulungan at payagan ang semiconductor industry na mag-scale nang functional, ay gumawa rin ng ilang pioneering breakthroughs sa nano-scale implantables. Nakapag-develop ito ng minimally invasive implants na angkop para sa susunod na henerasyon ng haptic prosthetics. Ang prototype implantable chip na binuo ng Imec kasama ang University of Florida ay nagbibigay sa mga pasyente ng mas intuitive na kontrol sa kanilang arm prosthetics. Isa sa mga pangunahing komponent nito, ang thin-silicon chip, ay ang kauna-unahang sa mundo para sa electrode density at binuo bilang bahagi ng IMPRESS project na pinondohan ng DARPA’s HAPTIX program upang lumikha ng closed-loop system para sa teknolohiya ng haptic prosthetics ng susunod na henerasyon.

Isa sa mga siyentipikong publikasyon tungkol sa kahalagahan ng carbon-based implantable bioelectronics ang nagbigay ng mahalagang obserbasyon sa kapakinabangan ng internal electronics. Upang eksaktong banggitin, sinasabi ng publikasyon:

“Dahil ang implantable bioelectronics ay maaaring makadama ng impormasyon ng katawan o magdulot ng reaksyon ng katawan sa mga nabubuhay na nilalang mula sa mga lokasyon sa labas ng katawan, nagiging kapaki-pakinabang at pangakong lunas ang mga ito para sa iba’t ibang karamdaman.”

Sa hinaharap, ang carbon materials ay gaganap ng mahalagang papel sa paggawa ng implantable medical electronics. Kabilang sa mga benepisyo nito ang mataas na antas ng biocompatibility ng carbon materials, fatigue resistance, at mababang specific gravity. Ang mga materyales na ito ay ginagamit sa malawak na hanay ng aplikasyon, kabilang ang drug delivery devices, biosensors, therapeutic stimulators, at energy storage. Ang lahat ng katangiang ito ay may papel sa mga larangan ng neurological, cardiovascular, gastrointestinal, at locomotor systems.

Ang mga implantable actuators, biosensors, drug delivery systems, at power supplies—lahat ay nakikinabang mula sa mga pag-unlad sa larangan ng internal o implantable electronics. Ang karagdagang pag-unlad sa bahaging ito ay mangangailangan ng mas intersectional na lapit na kinabibilangan ng mga bioscience researcher, material scientist, at physicist sa buong mundo.

Mag-click dito para sa listahan ng mga nangungunang biotech stocks.