Die Morgendämmerung einer neuen Ära in medizinischen Implantaten
Die Verbindung von Wissenschaft und Medizin hat den Weg für bemerkenswerte Innovationen geebnet, die die Patientenversorgung und Lebensqualität wesentlich verbessert haben. Ein herausragendes Beispiel dieser Synergie ist die Entwicklung von elektronischen Geräten zur Implantation in wichtigen Bereichen wie Herz und Gehirn. Diese Geräte sind entscheidend für die Überwachung und Regulierung physiologischer Signale in Echtzeit und bieten bahnbrechende Lösungen für komplexe Erkrankungen wie Parkinson. Der Weg zu ihrer dauerhaften Nutzung nach der Implantation war jedoch mit technischen Hindernissen gespickt.
In einem signifikanten Fortschritt hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Sung-Min Park von den Abteilungen für Konvergente IT-Technik, Maschinenbau, Elektrotechnik und der Fakultät für interdisziplinäre Biowissenschaften und Bioengineering der POSTECH, zusammen mit Jiho Lee, einem MS/PhD-Studenten, Professor Sang-Woo Kim von der Yonsei-Universität und Dr. Young-Jun Kim und MS/PhD-Student Joon-Ha Hwang von der Sungkyunkwan-Universität, einen bahnbrechenden Durchbruch erzielt.
Ihre innovative Arbeit beinhaltet die Entwicklung von elektrostatischen Materialien, die selbst mit extrem schwachen Ultraschallwellen funktionieren. Diese Neuerung leitet eine neue Ära für dauerhaft implantierbare elektronische Geräte in der Biomedizin ein, wie im angesehenen internationalen Fachjournal Advanced Materials berichtet.
Überwindung technischer Herausforderungen für nachhaltige Lösungen
Patienten mit implantierten Geräten mussten sich traditionell regelmäßigen Operationen zur Batterieersatz unterziehen. Dieser Prozess birgt nicht nur ein erhebliches Risiko für Komplikationen, sondern bedeutet auch wirtschaftliche und physische Belastungen für die Patienten. Die jüngste Forschung konzentriert sich auf implantierbare medizinische Geräte, die drahtlos betrieben werden, jedoch bleibt die Suche nach einer sicheren Energiequelle und schützenden Materialien eine Herausforderung.
Traditionell wird Titan (Ti) aufgrund seiner Biokompatibilität und Haltbarkeit verwendet. Jedoch können Radiowellen nicht durch dieses Metall dringen, was eine separate Antenne für die drahtlose Energieübertragung notwendig macht. Dies führt zu einer Vergrößerung der Gerätegröße und erhöht das Unbehagen für die Patienten.
Das Forschungsteam hat dieses Problem adressiert, indem es Ultraschall, eine in verschiedenen medizinischen Bereichen für Diagnosen und Behandlungen als sicher validierte Methode, anstelle von Radiowellen wählte. Sie entwickelten ein elektrostatisches Material, das auf schwachen Ultraschall reagiert, indem sie ein Komposit aus hochdielektrischen Polymeren (P(VDF-TrFE)) und einem Keramikmaterial mit hoher dielektrischer Konstante, bekannt als Calcium-Kupfer-Titanat (CCTO, CaCu3Ti4O12), verwendeten. Dieses Material erzeugt durch Reibung zwischen seinen Schichten statische Elektrizität, produziert effektive elektrische Energie und besitzt eine extrem niedrige Ausgangsimpedanz, was eine effiziente Übertragung der erzeugten Elektrizität ermöglicht.
Mit dieser Technologie hat das Forschungsteam einen implantierbaren neurologischen Stimulator entwickelt, der durch ultraschallbasierte Energieübertragung betrieben wird, wodurch die Notwendigkeit von Batterien entfällt. Dies wurde durch experimentelle Validierung bestätigt. In Tiermodellversuchen wurde das Gerät selbst bei Standard-Ultraschallbildgebungsniveaus (500 mW/cm²) aktiviert und stellt minimale Belastungen für den menschlichen Körper dar.
Zusammenfassend stellt dieser technologische Durchbruch nicht nur einen nachhaltigeren und weniger invasiven Ansatz für medizinische Implantate dar, sondern ist auch ein Beleg für das transformative Potenzial der Integration von Wissenschaft und Medizin. Während das Team von Professor Sung-Min Park weiterhin die Grenzen erweitert, sieht die Zukunft der Medizintechnik für Patienten weltweit heller und vielversprechender aus.
