Tragbare und implantierbare Geräte nutzen den Menschen als Energiequelle

3. August 2023 Von MDO Contributors Network Hinterlassen Sie einen Kommentar

Die auf Glukose basierende Batterie des MIT nutzt den körpereigenen Zucker, um Strom zu erzeugen, der Implantate und Sensoren mit Strom versorgen könnte. [Bild mit freundlicher Genehmigung des MIT]

Tragbare medizinische Geräte und Implantate gewinnen in einer Vielzahl von Anwendungen immer mehr an Bedeutung, beispielsweise bei Gesundheitsüberwachungsgeräten und biomedizinischen Implantaten, die kontinuierliche Messungen von Biomarkern und medizinische Diagnostik ermöglichen. Aufgrund des Wachstums der älteren Bevölkerung und der Erkenntnisse aus der Pandemie hat die Verlagerung hin zur Entwicklung von Wearables und Biosensoren den Bedarf an Echtzeit-Gesundheitsüberwachung, personalisierter Medizin und Point-of-Care-Technologie (POCT) erhöht.

Im letzten Jahrzehnt wurden Fortschritte bei der Entwicklung medizinischer Wearables und Implantate der nächsten Generation erzielt, wobei die neuesten Technologien zum Einsatz kommen, die ihre Verwendung kostengünstig und leicht verfügbar machen. Was für diagnostische Tests in einer medizinischen Einrichtung normalerweise Stunden dauerte, kann jetzt mithilfe von Biosensoren aus der Ferne durchgeführt werden. Da sich immer mehr Gesundheitsdienstleistungen in Richtung personalisierter Medizin verlagern, werden diese Sensoren ebenso selbstverständlich sein wie Fitbits und Smartwatches. Laut einem Bericht von Facts & Factors wird der Markt für tragbare Technologien bis 2028 ein Volumen von über 380 Milliarden US-Dollar erreichen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 18,5 %.

Was ist also tragbare Medizintechnik? Die meisten von uns haben Geräte gesehen oder verwendet, die eine Reihe von Gesundheitswerten und Trainingsprogrammen überwachen und sammeln und diese Daten sogar in Echtzeit an medizinisches Fachpersonal senden können. Dies können Fitness-Tracker und Smartwatches sein, andere, wie tragbare EKG-Monitore und Blutdrucksensoren, sind jedoch nicht so verbreitet. Das Move-EKG-Gerät von Withing kann beispielsweise ein Elektrokardiogramm messen und sogar Vorhofflimmern erkennen und dann die Daten an den Arzt des Benutzers senden.

Im Jahr 2019 brachte Omron Health seinen HeartGuide auf den Markt, ein tragbares oszillometrisches Blutdruckmessgerät. Die Uhr kann bis zu 100 Messwerte erfassen und speichern, die zur Überprüfung, zum Vergleich und zur Behandlungsoptimierung an die mobile HeartAdvisor-App übertragen werden können. Auch Biosensoren werden immer leichter verfügbar und können auf der Haut oder sogar als Implantate getragen oder in Form einer Smart-Pille verwendet werden. Der tragbare Biosensor von Philips beispielsweise ist ein selbstklebendes Pflaster, das auf der Haut getragen wird und verschiedene biometrische Daten liefert, darunter Bewegung, Herzfrequenz, Atemfrequenz und Blutdruck.

Biosensoren lassen sich bis ins Jahr 1962 zurückverfolgen, als Leland Clark einen Glukosesensor auf Basis einer Sauerstoffelektrode entwarf, der bei Herz-Kreislauf-Operationen verwendet wurde. Seitdem wurden auf dem Gebiet der Biosensoren viele Fortschritte erzielt, da neue Technologien verfügbar wurden. Biosensoren sind bioanalytische Geräte, die spezifische quantitative und semiquantitative Analyseinformationen liefern, indem sie biologische Reaktionen oder Reize in messbare Signale umwandeln.

Diese Sensoren bestehen aus drei Schlüsselkomponenten: einer biologischen Sensorkomponente, einer angeschlossenen Detektor- oder Wandlerkomponente und einem Signalverarbeitungssystem. Diese Biokomponente kann ein Enzym, ein Antikörper, eine Zelle oder viele andere sein, während der Wandler auf der Transduktionsmethode basiert, beispielsweise elektrochemisch, optisch, akustisch oder kalorimetrisch. Im biomedizinischen Kontext benötigen Biosensoren bestimmte Anforderungen, bevor sie intern verwendet werden können. Der erste Aspekt ist die Biokompatibilität. Sensoren in Hautintegrationsanwendungen müssen beispielsweise dehnbar, flexibel und ultradünn sein, um sich der natürlichen Beugung und Bewegung des Benutzers anzupassen.

Zu diesem Zweck gibt es Faktoren, die bei der Entwicklung medizinischer Wearables und Biosensoren, insbesondere solcher, die implantierbar sind, Probleme bereiten. Ganz oben auf dieser Liste steht die Stromquelle, da selbst für die interne Verwendung Batterien erforderlich sind, die bei Sensoren, die für den Langzeitgebrauch ausgelegt sind, in der Regel groß und sperrig sind. Die gute Nachricht ist, dass Wissenschaftler und Forscher begonnen haben, Energiesysteme zu entwickeln, die Energiegewinnungstechnologien nutzen, die diese Biosensoren nahezu unbegrenzt mit Strom versorgen könnten.

Eine der größten Herausforderungen bei batteriebetriebenen medizinischen Geräten ist die Autonomie. Eine zunehmende Anzahl erfordert eine längere Batterielebensdauer und mehr Leistung, aber interne Geräte haben Platzbeschränkungen und größere Batterien sind nicht realisierbar. Mit neuen Fortschritten können diese sperrigen Batterien durch Energiegewinnungstechnologien ersetzt werden. Es werden Wearables und Biosensoren entwickelt, die nur eine geringe Strommenge benötigen, um lebenswichtige Funktionen zu erkennen, zu speichern und zu übertragen, und durch Energiegewinnung kann genügend Strom bereitgestellt werden, damit sie über lange Zeiträume funktionieren.

Je nach Anwendung gibt es viele Erntemethoden, die für diese medizinischen Geräte eingesetzt werden können. Einer davon ist der triboelektrische Effekt, der Oberflächenladungen auf zwei unterschiedlichen Materialien erzeugt, wenn sie sich berühren und trennen. Diese Systeme erfordern eine Mindestanzahl an Komponenten: zwei Schichten aus triboelektrischem Material, eine physische Trennung zwischen ihnen und Elektroden zum Sammeln von Elektrizität. Andere umfassen die Gewinnung thermischer Energie, Vibrationsenergie, HF-Energie, Bewegungsenergie und sogar den Einbau von Superkondensatoren, um diese Energie zu speichern, wenn der Benutzer keiner Aktivität nachgeht.

Der UMass-Biofilm nutzt Bakterien, um über den Schweiß des Trägers Strom zu erzeugen und kann kleine LCDs mit Strom versorgen. [Bild mit freundlicher Genehmigung von UMass]

Die flexible Folie gewinnt Energie durch Bakterienkolonien mit einzelnen Mikroben, die über eine Reihe natürlicher Nanodrähte verbunden sind. Anschließend ätzt ein Team per Laser kleine Schaltkreise in die Folie, schiebt sie zwischen Elektroden und versiegelt sie mit einem atmungsaktiven, weichen, klebrigen Polymer. Während der Schweiß des Benutzers verdunstet, erzeugt der Film genügend Energie, um ein kleines LCD mit Strom zu versorgen. Die Forscher suchen jedoch nach Möglichkeiten, diese Energie auf den Antrieb von Elektronikgeräten und anderen tragbaren Geräten auszudehnen.

Wissenschaftler der Ohio State University haben auch die Kraft des Schweißes mithilfe einer Biosensor-Smart-Halskette genutzt. Der tragbare Sensor erkennt den Glukosespiegel, der während des Trainings von der Haut ausgeschieden wird. Der Sensor verwendet einen Resonanzkreis, der von einem externen Lesesystem gesendete HF-Signale reflektiert. Die Kopplung der Sensorschnittstelle und eines Induktor-Kondensator-Oszillators über ein Paar Varaktordioden wandelt eine Änderung des elektrischen Potenzials in eine Modulation der Kapazität um, was zu einer Verschiebung des Resonanzkreises führt. Die Halskette benötigt nur eine minimale Menge Schweiß, um zu funktionieren, und hat das Potenzial, andere über die Haut abgesonderte Biomarker zu erkennen.

Ingenieure der Texas A&M University haben ein Gerät entwickelt, das Graphen verwendet und Wechselstrom in die Haut injiziert, um den Blutdruck zu überwachen. Die Reihe an aufklebbaren Graphen-Sensoren, auch Graphen-Elektronik-Tattoos genannt, kann die Herz-Kreislauf-Gesundheit durch kontinuierliche Überwachung verfolgen, die Blutdruckmessungen in verschiedenen Situationen, einschließlich Training, Schlaf und Situationen mit hohem Stress, erfasst. Die Tätowierungen funktionieren, indem sie Wechselstrom in die Haut des Trägers injizieren und dann die Reaktion analysieren, um die Bioimpedanz zu bestimmen. Durch die Messung des Blutdrucks über Stunden statt ein- oder zweimal täglich können medizinische Fachkräfte jegliches Rauschen in den Daten eliminieren und so ein genaueres Bild des Blutdrucks des Benutzers liefern.

Wissenschaftler der Georgia Tech University haben einen kleinen drahtlosen Sensor entwickelt, der in die Blutgefäße des Gehirns implantiert werden kann, um die Heilung von Aneurysmen zu überwachen. Der Sensor funktioniert ohne Batterien und kann um implantierte Stents oder Diverter gewickelt werden, um den Blutfluss zu kontrollieren. Der Sensor wird im Aerosol-Jet-3D-Druck hergestellt, um leitfähige Silberspuren auf Elastomersubstraten zu erzeugen. Die Sensoren werden über einen Katheter eingeführt und nutzen die induktive Kopplung von Signalen, um die biomimetische Hämodynamik von Hirnaneurysmen drahtlos zu erfassen. Eine Spule nimmt elektromagnetische Energie auf, die von einer anderen Spule außerhalb des Körpers übertragen wird. Wenn Blut durch den Stent fließt, ändert der implantierte Sensor seine Kapazität und verändert die Signale, die durch den Sensor an eine dritte Spule außerhalb des Körpers weitergeleitet werden.

Ingenieure am Massachusetts Institute of Technology haben eine neuartige, mit Glukose betriebene Batterie entwickelt, die nur 400 Nanometer dick ist, was etwa einem Hundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haares entspricht. Die Batterie (oben in diesem Beitrag abgebildet) kann etwa 43 Mikrowatt pro Quadratzentimeter Strom erzeugen und Temperaturen von bis zu 600 °C standhalten. Dies bedeutet, dass sie den Hochtemperatur-Sterilisationsprozess der meisten implantierbaren Geräte bewältigen kann. Die Batterie wurde unter Verwendung eines ultradünnen Keramiksubstrats und einer Glukoselösung entwickelt, die außerdem ein gewisses Maß an Flexibilität bietet und eine einfache Platzierung im Körper ermöglicht.

Die Batterie ist dreischichtig aufgebaut und besteht aus einer Oberseite als Anode, einem Elektrolyten in der Mitte und einer Unterseite als Kathode. Die Anode reagiert mit Glukose, wandelt den Zucker in Glukonsäure um und setzt ein Paar Protonen und Elektronen frei. Der mittlere Elektrolyt fungiert als Separator für Protonen und Elektronen und leitet die Protonen durch eine Brennstoffzelle, wo sie sich mit Luft verbinden, um harmloses Wasser zu erzeugen. Die untere Schicht sorgt für die elektrische Verbindung und macht die Zuckerbatterie sicher für den Betrieb im Körper.

Dies sind nur einige der Fortschritte, die bei der Nutzung der Energie für tragbare und implantierbare medizinische Geräte erzielt wurden. Mit der Verfügbarkeit neuer Technologien werden zweifellos innovative medizinische Designs folgen, die Energiegewinnungsgeräte effizienter und leistungsstärker machen. Durch die Integration der genauesten Sensoren in diese Technologie könnten Ingenieure den Benutzern die fortschrittlichste Gesundheitsüberwachung bieten. Es könnte auch das Potenzial haben, die Gesundheitsversorgung zu revolutionieren, indem es Patienten ermöglicht, einen proaktiveren Ansatz für ihre Gesundheit und ihr Wohlbefinden zu verfolgen.

Brian Santo ist Content Director bei Publitek und auf fortschrittliche Elektronik und neue Technologien spezialisiert. Santo war zuvor Chefredakteur der EE Times und schreibt seit über 30 Jahren über Technologie in Publikationen wie Electronic News, IEEE Spectrum und CED.

Die in diesem Blogbeitrag geäußerten Meinungen sind ausschließlich die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die von Medical Design & Outsourcing oder seinen Mitarbeitern wider.