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Wartungsfrei und Biokompatibel

Mikrochip-Gehäuse für Bioelektronik in Implantaten und Prothesen

16. Juli 2024, 14:45 Uhr | mit Material des Fraunhofer IZM (uh)

Die NerveRepack-Prothese wird in der Lage sein, drahtlos mit einem Implantat zu kommunizieren, das Signale an Nerven im Arm sendet und von diesen empfängt. Diese bidirektionale Kommunikation wird eine intuitivere Nutzung und eine größere Autonomie von Patient*innen ermöglichen. Das Bild wurde mit Biorender.com erstellt.

Prothesen, die das Fingerspitzengefühl zurückgeben. Sensoren, die Krankheiten erkennen, bevor sie ausbrechen. Implantierte Mikrochips können solche Anwendungen zu Standardtherapien machen. Mit biokompatiblen Gehäuse kann Mini-Bioelektronik jahrzehntelang und »wartungsfrei« im Körper arbeiten.

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Fortschritte in der Medizin-Technologie ermöglichen präzisere Therapien und Diagnosen als je zuvor. Anstatt auf traditionelle Pharmazeutika zurückzugreifen, setzen neuartige neuronale Schnittstellen auf gezielte Stimulation einzelner Nervenstränge. Diese Innovation verspricht nicht nur eine Reduzierung von Nebenwirkungen, sondern eröffnet auch völlig neue Behandlungsmöglichkeiten, insbesondere für Menschen mit Erblindung.

Biokompatible Gehäuse für elektronische Implantate und Prothesen

Die Verwendung spezieller Verkapselungsmaterialien mit hoher Biokompatibilität gewährleistet, dass elektronische Bauteile auch unter den komplexen Bedingungen im menschlichen Körper optimal funktionieren können.

»Auch wenn die meisten Patienten, die eine tiefe Hirnstimulation zur Behandlung der Parkinson-Krankheit erhalten, älter sind, könnten neuronale Implantate Menschen jedes Alters helfen. Deshalb ist es wichtig, dass diese Implantate in einem sich ständig verändernden Körper Jahrzehnte lang halten.«
Joshua Wilson, Wissenschaftlicher Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Technologies for Bioelectronics am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Herausforderungen für Mikrochips im menschlichen Körper

Die feuchte, elektrolythaltige und mechanisch belastende Umgebung im Körper stellt eine Herausforderung für elektronische Bauteile dar. Salze und Wasser im Körper können Korrosion verursachen und zu Funktionsstörungen des Implantats führen. Zudem können Immunreaktionen auftreten, die das Implantat schädigen oder mit Narbengewebe umgeben, was seine Wirksamkeit beeinträchtigt.

Um elektrische Schaltkreise vor Umwelteinflüssen zu schützen, werden sie in hermetisch abgeschlossenen Gehäusen platziert. Diese Gehäuse sind jedoch groß und starr, was ihre Anwendung im empfindlichen Nervengewebe erschwert. Forscher am Fraunhofer IZM haben biokompatible Polymer- und Keramikbeschichtungen entwickelt, die dünner als ein menschliches Haar sind. Diese dünnen Verkapselungen reduzieren das Volumen des Implantats und ermöglichen eine vielseitigere Anwendung im menschlichen Körper. Je nach Implantationsort und Anwendungsfall variieren Material, Topologie und Funktionalität des Implantats.

Intelligente Prothesen durch neuronale Schnittstellen

Das Projekt »Nerve Repack«, das 2023 gestartet wurde, zielt darauf ab, intelligente Prothesen mit neuronalen Schnittstellen zu entwickeln. Diese Prothesen sollen Patienten mit Unterarmamputationen sowie ein- und beidseitiger Lähmung der unteren Gliedmaßen zugutekommen.

Die Kombination aus Prothese und neuronalem Implantat ermöglicht eine bidirektionale Kommunikation, wodurch Bewegungsimpulse übertragen und Informationen zurück zum Gehirn gesendet werden können. Dies führt zu einem intuitiveren Benutzererlebnis, insbesondere bei der Unterarmprothese, die taktiles Feedback liefert und dem Patienten ein natürlicheres Gefühl vermittelt. Die Exoskelette können motorische Befehle lesen und Rückmeldungen von Sensoren integrieren, um den Gang zu verbessern und eine reibungslose Gehbewegung zu ermöglichen.

Die Innovationen haben das Potenzial, die Lebensqualität von Millionen von Menschen mit amputierten oder gelähmten Gliedmaßen zu verbessern und ihnen eine größere Unabhängigkeit zu ermöglichen. Das Projekt »Nerve Repack« wird von 27 Partnern unter der Leitung des rumänischen Nationalen Instituts für Forschung und Entwicklung in Mikrotechnologien durchgeführt und soll die Forschungsergebnisse des Fraunhofer IZM in die medizinische Praxis führen. (uh)