Aktive Implantate, wie zum Beispiel Electroceuticals, wirken im Gegensatz

zu Medikamenten lokal, haben weniger Nebenwirkungen und funktionieren

direkt wie der Körper selbst – durch elektrische Signale. Fraunhofer-

Wissenschaftler stellen auf der Medica in Düsseldorf eine

Technologieplattform vor, die aktive Implantate via Ultraschall drahtlos

mit Energie versorgt (Halle 10, Stand G05). Im Visier der Experten:

Volkskrankheiten wie Bluthochdruck, Diabetes oder Parkinson.
Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT

in Sulzbach (Saarland) haben einen Demonstrator entwickelt, der aktive

Implantate drahtlos via Ultraschall mit Energie versorgt. Die Technologie

ist eine Alternative zur Energieversorgung mit Batterie und Induktion. Sie

kommt platzsparend ohne integrierte Batterien aus und ist effizienter als

eine induktive Energieübertragung: Ultraschallwellen dringen leichter

durch das Metallgehäuse der Implantate als elektromagnetische Wellen – die

Reichweite im Körper ist größer. Die Ultraschallwellen können auch

Informationen bidirektional übertragen – zum Beispiel die Temperatur des

Implantats oder Angaben zur Art und Stärke der elektrischen Stimulation.

Bluthochdruck, Diabetes oder Parkinson behandeln

Der als universal nutzbare Technologieplattform konzipierte Demonstrator

kann für unterschiedlichste Anwendungen und Modellvarianten angepasst

werden: Seine Stromversorgung funktioniert mit oder ohne Akku, er lässt

sich für unterschiedlichste Anwendungen aktiver Implantate konfigurieren.

Beispiele sind Volkskrankheiten wie Bluthochdruck, Diabetes oder

Parkinson. Die Forscher haben ein komplettes System entwickelt – den

Sender außerhalb des Körpers und den Empfänger direkt im Implantat. Sie

zeigen den Demonstrator – der die vorgegebenen Grenzwerte für

Ultraschallbehandlungen am menschlichen Körper deutlich unterschreitet –

auf der Messe Medica, dem Weltforum der Medizin, vom 14. bis 17. November

2016 in Düsseldorf (Halle 10, Stand G05).
»Auf der Messe suchen wir nach Industriepartnern, um auf Basis unserer

Technologieplattform gemeinsam ein konkretes Produkt zu entwickeln.

Technologisch könnte dies bereits innerhalb eines Jahres machbar sein«,

vermutet Andreas Schneider, Leiter der Arbeitsgruppe »Aktive Implantate«

am IBMT. Im Mai 2016 schätzte das Marktforschungsunternehmen BBC Research

den Markt für mikroelektronische medizinische Implantate auf 24,6

Milliarden US-Dollar und prognostizierte ein Wachstum auf 37,6 Milliarden

US-Dollar bis 2021 – bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate

von 8,8 Prozent.
Ultraschallwellen sind mechanische Wellen. Sie werden von

piezoelektrischem Material in Sender und Empfänger ausgelöst

beziehungsweise aufgenommen. Die piezoelektrischen Wandler verformen sich

unmerklich beim Anlegen einer Spannung. Die Verformung löst eine

mechanische Welle aus, ähnlich den Schallwellen einer Lautsprecherbox.

Diese treffen auf den piezoelektrischen Empfänger. Die Wellen verformen

auch diesen, nur mit dem Unterschied, dass hier genau der umgekehrte

Effekt entsteht: Die Verformung produziert elektrischen Strom.

Alternative zu Medikamenten

Aktive Implantate sind in der Lage, bestimmte Körperfunktionen eines

erkrankten Menschen zu unterstützen und Funktionsstörungen zu

kompensieren. Meist knapp unter der Haut eingepflanzt können sie durch

elektrische Stimulationen den Herzrythmus kontrollieren

(Herzschrittmacher), Sinneseindrücke unterstützen – zum Beispiel Retina-

und Chochleaimplantat – sowie Prothesen steuern (Handprothese). Weitere

komplexe Aufgaben der wenige Zentimeter großen Medizintechnik sind:

Dosierung von Medikamenten oder Unterstützung des Knochenwachstums. »Unser

Körper funktioniert über elektrische Signale. Das stellt ein aktives

Implantat nach«, erklärt Schneider. Peter-Karl Weber aus der

Hauptabteilung »Ultraschall« des IBMT ergänzt: »Über Medikamente können

zum Teil Verbesserungen erzielt werden. Der Nachteil: Sie wirken nur

indirekt und belasten den gesamten Körper. Aktive Implantate wirken direkt

und lokal dort, wo sie benötigt werden.« Ziel der Wissenschaftler ist es,

dass in naher Zukunft auch Volkskrankheiten wie Bluthochdruck oder

Diabetes auf diese Weise behandelt werden können. »Dafür benötigen wir

mehr leistungsstarke, miniaturisierte und gleichzeitig robuste

Technologieansätze für aktive Implantate. Wir haben gezeigt, dass

Ultraschall ein neuer Weg zur Energieversorgung von aktiven Implantaten

ist«, sagt Weber.
Die prinzipielle Bauweise aktiver Implantate hat sich in den letzten

Jahren kaum ver-

ändert. Genau wie die ersten kommerziellen Herzschrittmacher bestehen sie

aus elektronischen Bauteilen, die hermetisch gekapselt in einem

metallischen Titangehäuse verschweißt sind. Über elektrische

Durchführungen im Titangehäuse und Kabelverbindungen erhalten die direkt

im Herzmuskel sitzenden Elektroden ihre elektrischen Impulse.

Grundsätzliches Problem: die Energieversorgung. Batterien haben den

Nachteil, dass sie viel Platz benötigen – oft die Hälfte des Implantats –

und regelmäßig operativ ausgetauscht werden müssen. Als drahtlose

Alternative hat sich die Induktion etabliert. Hier übertragen

elektromagnetische Wellen Energie und Informationen. Zwei Spulen wandeln

Strom in Magnetfelder und wieder zurück um. Der Nachteil: Die

elektromagnetischen Wellen werden vom metallischen Implantatgehäuse

abgeschirmt. »Ähnlich wie Blitze bei einem Faradayschen Käfig«, erklärt

Schneider. Die Spulen müssen deshalb aus dem Gehäuse heraus gelegt werden.

»Bei unserer Technologie liegt der Empfänger der Ultraschallwellen

innerhalb des hermetischen Implantatgehäuses, direkt an der

Gehäusewandung. Implantatwand und Empfänger bilden ein homogenes System,

das es erlaubt, Ultraschallwellen zu empfangen und abzustrahlen«,

schildert Schneider.
Arten der Pressemitteilung:

Forschungs- / Wissenstransfer

Forschungsergebnisse

Quelle: IDW