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Elektrozeutika gegen chronische Krankheiten

Mikroimplantate
Elektrozeutika sollen helfen, chronische Krankheiten ohne Medikamente zu behandeln

Elektrozeutika chronische Krankheiten Fraunhofer IZM
Das flexible Implantat mit 324 Elektroden und integrierter Elektronik stimuliert und erfasst neuronale Aktivität auf der Gehirnoberfläche
(Bild: Fraunhofer IZM/Tim Hosman)
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Wenn Nervenzellen mit Mikroimplantaten gezielt elektrisch stimuliert werden, könnte das eine Möglichkeit sein, chronische Leiden wie Asthma, Diabetes oder Parkinson ohne Medikamente zu behandeln. Dabei gibt es vieles, was den Einsatz der so genannten Elektrozeutika besonders macht. Die Forscher stehen allerdings noch vor Herausforderungen.

Jede vierte Frau ist laut einer Studie des Robert-Koch-Instituts von Harninkontinenz betroffen. Diese Form der Blasenschwäche wurde bislang durch Beckenbodentraining, spezielle Schrittmacher, medikamentös oder sogar operativ behandelt. Mithilfe von Mikroimplantaten könnten solche mitunter langwierigen und aufwendigen Therapieformen entfallen. Denn: Die elektrische Stimulation hilft bestimmten Körperarealen dabei, ihre Funktion bei Bedarf durchzuführen.

Dr. Vasiliki Giagka, Gruppenleiterin am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin, erklärt die Methode: „Elektronische Implantate können unterbrochene Signale auslösen, sie können unerwünschte Signale blockieren, sie können aber auch Signale zu anderen Stellen im Körper überbrücken.“

Bei Patienten, die die Fähigkeit verloren haben, ihre Blase zu kontrollieren, könnte ein bioelektronisches Implantat jederzeit das Blasenvolumen messen und eine Meldung senden, wann eine Person auf die Toilette gehen sollte. Darüber hinaus könnte es ungewolltes Entleeren der Blase durch Hochfrequenzstimulation des betreffenden Nervs stoppen.

Damit dies möglich wird, arbeitet das Team um Giagka zusammen mit Forschenden der TU Delft an miniaturisierter, flexibler und vor allem langlebiger Elektronik. Solche Elektroniksysteme müssen einerseits über eine Sensoreinheit verfügen, die das Blasenvolumen erfasst und verarbeitet. Darüber hinaus müssen die Daten drahtlos aus dem Körper gesendet werden – eine Herausforderung, ist doch das menschliche Innenleben mit seinen Organen und Körperflüssigkeiten für das Senden von Funksignalen äußerst ungünstig. Auch das Laden des Implantats muss drahtlos erfolgen, hier durch Ultraschallwellen, die winzige Schwingkörper im Implantat in Bewegung setzen und es verformen. Diese elastische Verformung wird in Strom umgewandelt.

Inhaltsverzeichnis

1. Mikrochips an Elektroden schaffen Feedback-Schleifen
2. Mikrostimulatoren sollen länger durchhalten als bisher
3. Weitere Informationen

Mikrochips an Elektroden schaffen Feedback-Schleifen

Solche Mikroimplantate können mittels Elektroden auch Nervenzellen ansteuern und durch elektrische Impulse physiologische Abläufe aktivieren. Die flexiblen Elektroden sind mit bis zu 10 Mikrometer dünnen Mikrochips verbunden. Hierdurch sollen Feedback-Schleifen zwischen Nervenzellen und den Mikroimplantaten entstehen, sodass sich personalisierte und lokale Therapien entwickeln lassen. Um an den neuronalen Schnittstellen Abstoßungsreaktionen zu vermeiden, verwenden die Bioelektroniker um Giagka biokompatible Materialien wie Polymere, Edelmetalle und Silizium für die Elektronik.

Seit einiger Zeit werden solche Mikroimplantate als Elektrozeutika bezeichnet, weil statt pharmazeutischer Produkte miniaturisierte Elektronik wirkt: Mit Strom statt Pillen könnten ganze Therapien neu entwickelt und unerwünschte Nebenwirkungen minimiert werden. Neben Inkontinenzleiden wären weitere chronische Krankheiten behandelbar. Voraussetzung ist, dass sich deren Wirkmechanismen durch Elektrostimulation gezielt beeinflussen lassen: Asthma, Diabetes, Parkinson, Migräne, Rheuma, Bluthochdruck – die Liste ist lang und das Forschungspotenzial enorm.

Bis Elektrozeutika jedoch in größerem Maßstab Anwendung finden, müssen noch Hürden überwunden werden: „Noch können wir nicht vorhersagen, wann erste klinische Erprobungen möglich sein werden“, so Vasiliki Giagka. Zurzeit würden passende Testmodelle entwickelt, um die Zuverlässigkeit der Implantate zu prüfen. Weitere Arbeiten laufen, um die Stimulatoren zu miniaturisieren und zu optimieren. Ziel ist, eine Gesamtgröße von weniger als einem Kubikzentimeter zu erreichen.

Mikrostimulatoren sollen länger durchhalten als bisher

Da die Mikrostimulatoren mehrere Jahrzehnte im Körper zuverlässig funktionieren sollen, legt das Team um Giagka besonderes Augenmerk darauf, die Lebensdauer der Implantate zu erhöhen. Dazu belasten sie die Mikrosysteme in Tests mit elektromagnetischen Schwingungen, Feuchte sowie Temperatur und berechnen zunächst die tatsächliche Lebensdauer. Zusätzlich passen sie das Chipdesign so an, dass sich die elektromagnetischen Belastungen während des Betriebs reduzieren. Das soll die Lebensdauer der Implantate sowie die mögliche Dauer ihrer Messfähigkeit deutlich verlängern – bis hin zu Jahrzehnten.

Vasiliki Giagka, die am Fraunhofer IZM innerhalb des Förderprogramms Fraunhofer Attract eine Arbeitsgruppe zu Technologien der Bioelektronik aufgebaut hat und eine Assistenzprofessur an der TU Delft innehat, ist mit Partnern in Europa, den USA und Asien vernetzt, um Elektrostimulationstherapien durch Mikroimplantate in die Praxis zu bringen. Zum Thema Datensicherheit kooperiert sie mit dem Fraunhofer-Leistungszentrum Digitale Vernetzung. (op)


Weitere Informationen

Das Fraunhofer IZM steht für anwendungsorientierte, industrienahe Forschung. Mit vier Technologie-Clustern deckt das Institut alle Themen ab, die für die Realisierung zuverlässiger Elektronik und deren Integration in die Anwendung benötigt werden. Projekte laufen für die Automobilindustrie, die Medizin- und Industrieelektronik sowie für Textilunternehmen.

www.izm.fraunhofer.de


Kontakt zum Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Fraunhofer IZM
Gustav-Meyer-Allee 25
13355 Berlin
E-Mail: info@izm.fraunhofer.de
Website: www.izm.fraunhofer.de

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