Sisäinen elektroniikka – umpeen umpeen kullalla

Markkinat implantoitavat lääkinnälliset laitteet kasvaa tasaisesti kroonisten sairauksien lisääntymisen ja kuluttajien tietoisuuden kasvun johdosta. Teknologia tukee vauhtia edistysaskeleita, mikä auttaa tekemään näistä laitteista tehokkaampia, kätevämpiä ja edullisempia. 

Numerot viittaavat siihen, että implantoitavien lääkinnällisten laitteiden markkinoille maailmanlaajuisesti lähes kaksinkertaistuu vuosikymmenessä, 105.7 miljardista Yhdysvaltain dollarista vuonna 2023 207.0 miljardiin dollariin vuonna 2033. Tänään aloitamme tarkastelemalla yhtä viime aikojen merkittävimmistä innovaatioista tällä alalla, mikä on myös osoitus avaruuden kukoistamisesta missä lääketieteellinen fysiologia leikkaa tehokkaan elektroniikan. 

Kultaiset nanolangat ja pehmeät elektrodit ovat valmiita liitettäväksi hermostoon 

Linköpingin yliopiston tutkijaryhmä on loi kultaisia ​​nanolankoja ja kehitti pehmeitä elektrodeja, jotka voivat työ vastaa ihmisen hermoja heidän venyvyys, sähkönjohtavuus ja kestävyys kehon sisällä. 

Tutkijat ja asiantuntijat näkevät tässä innovaatiossa valtavan potentiaalin. Aluksi, se avaa rajoja missä sitä voisi käyttää kultaa pehmeissä liitännöissä elektroniikan liittämiseksi hermostoon lääketieteellisiin tarkoituksiin. 

Oikein käytettynä tämä voi johtaa niinkin monimutkaisiin tiloihin kuin epilepsia, Parkinsonin sairaus ja halvaus ja yhtä yleinen huolenaihe kuin krooninen kipu. 

Jo jonkin aikaa tutkijat maailmanlaajuisesti ovat olleet kiinnostuneita pehmeiden elektrodien luomisesta että älä vahingoita Ishayoiden opettaman kudosta. Tämä Linköpingin yliopiston tutkijoiden saavutus auttoi saavuttamaan sen luomalla kultaisia ​​nanolankoja että olivat tuhat kertaa ohuempia kuin hiukset ja upotettu elastiseen materiaaliin, joka voisi toimia pehmeinä mikroelektrodeina. 

Klas Tybrandt tutkiessaan tutkimuksen ainutlaatuisuutta ja sen tuloksia, hänellä oli seuraava sanottava:

"Olemme onnistui tekemään uuden, paremman nanomateriaalin kultaisista nanolangoista yhdistettynä erittäin pehmeään silikonikumiin. Näiden yhdistäminen on johtanut johtimeen, jolla on korkea sähkönjohtavuus, erittäin pehmeä ja valmistettu bioyhteensopivista materiaaleista, jotka toimivat kehon kanssa"

Kultaisten nanolankojen luominen: kohdatut ja voitetut haasteet

Yksi tutkijoiden suurimmista ongelmista oli pitkien, kapeiden kullan nanorakenteiden tuotanto. Tutkijat kehittivät ainutlaatuisen tavan voittaa tämä haaste, ja se oli käyttää hopea nanolankoja. Selitetään miten tämä ainutlaatuinen saavutus voitaisiin saavuttaa, Klas Tybrant sanoi seuraavaa:

"As se on Mahdollisuus tehdä hopea nanolankoja, hyödynnämme tätä ja käytämme hopeaa nanolankaa eräänlaisena mallina, jolla kasvatamme kultaa. Prosessin seuraava vaihe on hopean poistaminen. Kerran se on tehty, meillä on materiaalia, jossa on yli 99 prosenttia kultaa"

Alun perin tutkijat eivät voineet käyttää hopeaa, koska se on kemiallisesti reaktiivista, kuluu ajan myötä ja saattaa hajota ja värjäytyä. Lisäksi korkeat hopeapitoisuudet voivat olla myrkyllisiä ihmiskeholle. Siksi heidän piti päällystää se kullalla.

Tutkijoiden mukaan heidän kehittämänsä materiaalin ja sen kestävyyden osalta heidän ratkaisunsa voisi kestää vähintään kolme vuotta ja ylittää monet aiemmin kehitetyt nanomateriaalit.

Pian tutkimusryhmä alkaa työstää materiaalia jalostaa ja luoda erilaisia ​​elektrodeja, jotka olisivat vielä pienempiä ja mahdollistavat lähempään kosketukseen hermosolujen kanssa.

Implantoitavien monipuolinen maailma

Vaikka tämän tutkimuksen hyödyllisyys on jo mainittu, on olemassa monia muita implantoitavia laitteita, joita on saatavilla lääketieteen alalla. Ne auttavat tekemään diagnoosista ja hoidosta johdonmukaisemman, edullisemman ja tehokkaamman. 

Esimerkiksi Georgian teknillisen yliopiston tutkijat ovat kehittäneet istutettavan, puettavan anturin, joka seuraa aivojen verisuonten aneurysmien paranemista. Koska se toimii ilman paristoja, se voidaan kiertää stenttien tai divertterien ympärille, jotka istutetaan verenkierron säätelemiseksi.

Anturi on luotu aerosolisuihku-3D-tulostuksella, joka laskee johtavia hopeajälkiä elastomeerisille alustoille. Katetrin kautta asetettuna se käyttää signaalien induktiivista kytkentää biomimeettisen aivojen aneurysman hemodynamiikan langattomaan havaitsemiseen.

Prosessi sisältää kolme kelaa. Yksi kela vangitsee sähkömagneettista energiaa, joka lähetetään toisesta käämistä kehon ulkopuolelta. Kun veri virtaa stentin läpi, istutettu anturi muuttaa kapasitanssiaan, mikä muuttaa kolmanteen ulkoiseen kelaan lähetettävää signaalia.

Toisessa samankaltaisessa työssä ryhmä Texas A&M -yliopiston insinöörejä on kehittänyt laitteen, joka käyttää grafeenia ja ruiskuttaa vaihtovirtaa ihoon verenpaineen seuraamiseksi. 

Graphene Electronic Tattooiksi kutsutut kiinnitettävät grafeenianturit voivat seurata sydän- ja verisuoniterveyttä jatkuvalla seurannalla. He voivat jatkaa työskentelyä ja kerätä asiaankuuluvia tietoja, vaikka potilas nukkuu, harjoittelee tai kokee oloaan korkean stressin tilanteet. 

Tutkimustyötä tehdään myös sen selvittämiseksi, kuinka nämä implantoitavat laitteet voivat valjastaa ja hyödyntää energiaa. Esimerkiksi joukko Massachusetts Institute of Technologyn tutkijoita on kehittänyt akun, joka saa tehonsa glukoosista. Uuden akun paksuus on vain 400 nanometriä eli noin 1/100 ihmisen hiusten halkaisijasta. Se tuottaa noin 43 mikrowattia neliösenttimetriä kohden sähköä ja kestää lämpötila jopa 600 °C. 

Tutkijat käyttivät erittäin ohutta keraamista alustaa ja glukoosiliuosta akun joustavuuden lisäämiseksi ja helpottaakseen sen sijoittamista kehoon. 

Samalla kun tutkijat työskentelevät keksiä Mahdollisimman monia uusia ja ainutlaatuisia teknologiaratkaisuja, jotkut yritykset ovat pyrkineet saamaan tehokkaita implantoitavia laitteita saataville massakäyttöön. Tulevissa osissa teemme tarkastella pari tällaista kaupallista ratkaisua. 

# 1. CorTec

yksi yrityksistä, jotka ovat jatkuvasti toimittaneet uraauurtavia ratkaisuja on CorTec. ISO 13485 -yritys, CorTec kehittää ja valmistaa tuotteita ja komponentteja neuromodulaatioon ja aktiiviseen implanttiteknologiaan omissa laboratorioissaan ja puhdastilojen infrastruktuurissa. 

CorTec patentoitu AirRay-elektrodien valikoima osoittautuu hyödylliseksi stimulaatio ja tallennus hermokudosta, joka toimii ihanteellisena rajapintana hermostoon lääkinnällisille laitteille. 

Esimerkiksi AirRay-mansettielektrodit tarjoavat sähköisen rajapinnan ääreishermostoon, kun taas ristikko- ja liuskaelektrodit on suunniteltu liittämään keskushermostoon. AirRay-perkutaaniset elektrodit on tarkoitettu ihonalaiseen käyttöön sekä selkäytimen tallentamiseen ja stimulointiin. Lopuksi AirRay-melaelektrodit tarjoavat sähköisen rajapinnan keskushermostoon, erityisesti selkäytimeen.

Tämän alueen lisäksi yksi CorTec patentoituihin ratkaisuihin kuuluvat myös sen aivokuoren elektrodit. Nämä ovat CorTec ECoG-elektrodit invasiiviseen neuromonitorointiin. Näiden elektrodien avulla on mahdollista suorittaa sähköisten aivojen signaalien valvontaa, mikä on epileptogeenisten pesäkkeiden paikallistamisen vaatimusten mukaisesti tai aivojen kartoitus. Elektrodit voivat olla käytetty enintään 29 päivän ajan, ja on mahdollista liittää yhteensä 64 elektrodia vain kahdella kaapelilla. Elektrodien koskettimet ovat lähes koskemattomia ja lukittuvat turvallisesti materiaaliin estääkseen niiden irtoamisen silikonista.

Yksi tärkeimmistä näkökohdista CorTec aivokuoren elektrodit on, että FDA on todennut sen sopivaksi hyväksyntää ja markkinoille saattamista varten keskushermoston invasiivista neuromonitorointia varten. Tuotevalikoima sisältää kaikki mahdolliset kosketinjärjestelyt 1×4 - 8×8 elektrodikontakteista.

Huomattavan julkisen rahoituksen lisäksi CorTec virallisen ilmoituksensa mukaan, on kerännyt neljä rahoituskierrosta. Sen nykyiseen sijoittajaluetteloon kuuluvat Mangold Invest, M-Invest, Kfw, High-Tech Gruenderfonds, Santo Venture Capital GmbH, LBBW Venture Capital ja K & SW Invest. 

Julkinen rahoitus sisältää tuet Saksan liittovaltion opetus- ja tutkimusministeriöltä (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) ja Euroopan unionilta.

# 2. Atrotech

Toinen yritys, joka on tehnyt jokseenkin kapean mutta silti pelin muuttavan työtä tällä alalla vuosikymmeniä, on Atrotech. Vuonna 1984 perustettu ja Tampereen Technopolis Hermiassa sijaitseva Atrotech syntyi monitieteisiä tuoteideoita, jotka yhdistävät lääketieteen ja biotekniikan pääpaino toiminnallisen sähköstimulaation (FES) alalla. 

Kaksi Atrotechin merkittäviä panoksia tällä alalla ovat suunnittelu ja valmistus implantoitavat neurostimulaattorit ja implantoitavat elektrodit. 

Elektrodien suunnittelussa yritys hyödyntää yli 30 vuoden valmistuskokemustaan korkealaatuiset platinakontaktielektrodit, lyijyjohdot ja moninapaiset johtoliittimet. Palvelualue, jota se palvelee sisältää tutkimusprojektit, kliiniset tutkimukset ja kaupallisesti jaettavat lääkinnälliset laitteet. 

Yritys on joustava tuotantoprosessi, mikä mahdollistaa sen valmistaa pieniä määriä sekä suurempia määriä nopeasti ja kustannustehokkaasti. Lisäksi yhtiö on alkuvaiheessa yhteydessä useisiin lääkäreihin ja yliopistoihin kehityksestä ja prototyyppien valmistuksesta of mahdollisia uusia lääkinnällisiä laitteita.

Yksi tutkimuksista yritys rahoitti äskettäin oli tarkoitus arvioida uudenlaisen, irrotettavan, kirurgisesti implantoidun, väliaikaisen neurostimulaatiomenetelmän toteutettavuus ja turvallisuus, johon liittyy frenihermon distaalinen osa. Tutkimusta varten yritys kehitti erityisesti suunnitellun, väliaikainen phrenic nerve stimulator (tPNS) elektrodi. 

Tällainen yhteistyö erikoistuneiden ja teollisuuteen keskittyneiden yritysten sekä eri puolilla maailmaa hajallaan olevien tutkijoiden ja lääkäreiden välillä saa sisäisen elektroniikan tulevaisuuden näyttämään valoisalta ja valmiilta kukoistamaan. 

Sisäisen elektroniikan tulevaisuuden kehityskulku

Tuoreen heinäkuussa 2024 julkaistussa lehdessä "Luontoe ', tutkijat ovat kehittäneet bioresorboituvaan Mg-Nd-Zn-Zr-seokseen perustuvan implantoitavan elektrodin, joka toimisi hyvin seuraavan sukupolven radiotaajuus (RF) kudoshitsaussovelluksessa.

Elektrodi on odotettua vähentää lämpövaurioita ja lisätä anastomoottista voimaa. Suunniteltu erilaisilla rakenteellisilla ominaisuuksilla, sylinterimäisellä pinnalla (CS) ja jatkuvalla pitkällä renkaalla (LR) hitsausalueella. elektrodit sähkötermiset simulaatiot tutkittiin elementtianalyysillä (FEA).

Tulokset osoittivat, että hitsausalueen keskilämpötila ja nekroottisen kudoksen osuus laskivat merkittävästi, kun LR-elektrodille syötettiin 110 V vaihtovirtaa 10 sekunnin ajan. LR-elektrodilla hitsattujen kudosten maksimi- ja keskilämpötiloja voitaisiin myös laskea merkittävästi samalla kun hitsatun kudoksen anastomoottinen lujuus parani.

Imec, vuonna 1984 perustettu laboratorio auttaakseen puolijohdeteollisuutta toiminnallisesti skaalautumaan ja mahdollistamaan sen, on myös tehnyt uraauurtavia läpimurtoja nanomittakaavan implantoitavissa tuotteissa. Se on auttanut kehittämään minimaalisesti invasiivisia implantteja, jotka sopivat seuraavan sukupolven haptisiin proteeseihin. Imecin yhdessä Floridan yliopiston kanssa kehittämä implantoitava siru prototyyppi antaa potilaille intuitiivisemman käsivarsiproteesin hallinnan. Yksi sen pääkomponenteista, ohut piisiru, on maailman ensin elektrodien tiheydelle ja kehitettiin osana rahoittamaa IMPRESS-projektia DARPA:n HAPTIX-ohjelma, jolla luodaan suljetun silmukan järjestelmä tulevan sukupolven haptisen proteesitekniikan käyttöön.

Yksi tieteellisistä julkaisuista aiheesta hiilipohjaisen implantoitavan bioelektroniikan merkitystä teki ratkaisevan havainnon sisäisen elektroniikan hyödyllisyydestä. Kirjaimellisesti lainaten, julkaisu huomauttaa:

"Koska implantoitava bioelektroniikka voi aistia kehon tietoja tai saada aikaan kehon reaktioita elävissä olennoissa kehon ulkopuolelta, niistä on tulossa hyödyllisiä ja lupaavia lääkkeitä moniin vaivoihin."

Tulevaisuudessa, hiilimateriaalit ovat ratkaisevassa asemassa implantoitavan lääketieteellisen elektroniikan valmistuksessa. Näitä etuja ovat hiili materiaalit' korkealaatuinen bioyhteensopivuus, väsymiskestävyys ja alhainen ominaispaino. Näitä materiaaleja käytetään laajasti sovelluksia, mukaan lukien lääkkeenantolaitteet, biosensorit, terapeuttiset stimulaattorit ja energian varastointi. Kaikilla näillä ominaisuuksilla on rooli neurologisissa, kardiovaskulaarisissa, maha-suolikanavan ja liikkumisjärjestelmissä.

Istutettavat toimilaitteet, biosensorit, lääkkeenantojärjestelmät ja virtalähteet – kaikki hyötyvät sisäisen tai implantoitavan elektroniikan alalla saavutetusta edistyksestä. Edistyminen tällä alalla edellyttää intersektiivisempää lähestymistapaa, johon osallistuvat biotieteen tutkijat, materiaalitutkijat ja fyysikot maailmanlaajuisesti.

Napsauta tätä nähdäksesi luettelon parhaista biotekniikan osakkeista.