Medizintechnik: Energieversorgung von Implantaten vor Paradigmenwechsel

Aktive medizinische Implantate wie Herzschrittmacher oder Neuroprothesen benötigen eine zuverlässige Energieversorgung. Derzeitige Implantate nutzen häufig Batterien aus Lithium-Iod oder Silber-Zink. Deren begrenzte Lebensdauer macht jedoch operative Eingriffe zum Austausch erforderlich.

Forschung und Entwicklung zielen darauf ab, Implantate künftig über körpereigene Ressourcen oder externe, kabellose Verfahren mit Energie zu versorgen. Du findest hier aktuelle Ansätze zur Reduzierung des Batterieeinsatzes.

Innovationen bei der Energieversorgung

Die Entwicklung energiesparender und effizienter Stromquellen für Implantate konzentriert sich auf mehrere Ansätze. Eine verbreitete Methode ist Energy Harvesting, das Bewegung oder biochemische Reaktionen des Körpers nutzt. Dieses Vorgehen gilt für Anwendungen mit sehr geringem Energiebedarf als realistisch.

Das Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT) forscht an der Energieübertragung via Ultraschall. Laut Institut konnte die Eindringtiefe damit um den Faktor zwei bis drei erhöht werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, tief liegende oder in Titangehäusen gekapselte Implantate mit Energie zu versorgen.

Ultraschall wird in den Quellen zudem als weniger anfällig für Hacking eingestuft. Etablierte induktive Kopplungsmethoden sind hingegen durch Dämpfung im Körper und die Notwendigkeit enger Spulenpositionierung begrenzt.

Ein Forschungsteam der Tianjin University of Technology hat eine Batterie entwickelt, die Strom aus dem Sauerstoff im Blut erzeugt. Die Zellen verwenden eine Natrium‑Metall‑Legierung mit Gallium und Zinn (NaGaSn) als Anode sowie poröses Gold als Kathode. Zwischen den Elektroden sitzt eine Membran, geschützt durch einen flexiblen Biopolymer‑Film.

In einem Rattenmodell zeigten sich in den berichteten Beobachtungszeiträumen keine Entzündungsreaktionen oder negativen Effekte durch Nebenprodukte. Zwei Wochen nach dem Einsetzen lieferten die Batterien eine stabile Spannung von 1,3 bis 1,4 Volt bei einer maximalen Leistung von 2,6 Mikrowatt pro Quadratzentimeter. Diese Leistung reicht aktuell bisher nicht für Herzschrittmacher aus.

Die Forschenden diskutieren jedoch mögliche Anwendungen, darunter Konzepte zur Krebstherapie durch Sauerstoffentzug oder lokale Wärme.

Miniaturisierung und vernetzte Systeme

Die Miniaturisierung aktiver Implantate ist ein zentrales Forschungsfeld, an dem das Fraunhofer IBMT seit rund 20 Jahren arbeitet. Der Fokus liegt auf Biokompatibilität, Langzeitstabilität, Energieeintrag und sensornaher Signalverarbeitung. Ein Trend geht zu vernetzten Implantaten, also Netzwerken mehrerer kleiner Einheiten anstelle eines zentralen Implantats.

Vorteile solcher Systeme sind laut Forschung eine bessere Biostabilität durch die Integration von Sensoren und Aktoren ins Gehäuse sowie der Verzicht auf empfindliche Kabelverbindungen. Dies erleichtere auch die Austauschbarkeit. Anwendungsbeispiele, die im Kontext des Fraunhofer IBMT genannt werden, sind Schrittmacher für den Gastrointestinaltrakt oder Greifneuroprothesen.

Die Energieversorgung ganzer Netzwerke mit individuellen Bedarfen und das Routing von Daten und Befehlen, insbesondere bei Echtzeitanforderungen, bleiben technische Herausforderungen.

Die EPFL sowie die University of Illinois und die University of Wisconsin haben ein biomolekulares Kommunikationsprotokoll namens MoMA (Molecular Multiple Access) entwickelt. Es nutzt biologische Moleküle anstelle von Radiowellen zur Informationsübertragung zwischen winzigen Implantaten im Blut. In den Quellen heißt es, ein Netzwerk von bis zu vier Sendern konnte realisiert werden.

Einer der beteiligten Forscher, Haitham Al Hassanieh, bezeichnete dies als eine neue Form der Kommunikation, die rasch wissenschaftliche Realität werde.

Bioresorbierbare Materialien und Gewebezüchtung

Bioresorbierbare Implantate aus Materialien wie Magnesium oder Zink, die sich über Wochen oder Monate abbauen, sind Gegenstand aktueller Forschung. Solche Materialien sollen eine zweite Operation zur Entfernung entbehrlich machen. Schrauben und Fixierungselemente aus Magnesium werden bereits klinisch eingesetzt.

Für hochbelastete Anwendungen, etwa in großen Knochen, stellt die abnehmende mechanische Stabilität weiterhin eine Herausforderung dar. Vielversprechend sind bioresorbierbare Konzepte für temporäre Anwendungen wie Stents, die sich kontrolliert auflösen könnten. Dr.

Harald Unterweger betont in den Quellen die Rolle von KI-gestützten Optimierungsansätzen und additiven Fertigungsverfahren zur Steuerung von Abbaurate und mechanischen Eigenschaften.

CSEM und das Startup ClexBio arbeiten an einem Bioreaktor zur Herstellung funktioneller Venenimplantate aus menschlichem Stammzellgewebe im Labor. Die von ClexBio entwickelte Plattformtechnologie VivoSet soll Gewebe formen, das nach dem Entfernen von Zellen und Gerüst aus menschlicher extrazellulärer Matrix besteht. Vorklinische Ergebnisse werden in den Quellen so dargestellt, dass die Implantate keine Immunreaktionen hervorrufen und von patienteneigenen Zellen besiedelt werden können.

Ziel ist eine skalierbare Produktion in einem geschlossenen System zur Reduzierung des Kontaminationsrisikos und zur Erfüllung regulatorischer Anforderungen. Armend Håti, CEO von ClexBio, bezeichnet die Technologie in den zugrundeliegenden Aussagen als einen Paradigmenwechsel für die Chirurgie.

Ausblick und Herausforderungen

Die aktuellen Entwicklungen zeigen mehrere vielversprechende Ansätze zur Reduzierung des Batterieeinsatzes bei Implantaten. Für sehr energiearme Anwendungen rücken autonome, energieautarke Systeme durch Energy Harvesting in Reichweite. Die flächendeckende Ablösung von Batterien bei hochleistungsfähigen Implantaten bleibt jedoch eine Herausforderung.

Die Leistung der sauerstoffbetriebenen Batterien muss bislang noch gesteigert werden, um leistungsstärkere Implantate wie Herzschrittmacher zu versorgen.

Weitere Forschungsrichtungen, etwa winzige Nuklearbatterien auf Basis von Nickel‑63, die russische Unternehmen planen, werfen Fragen zu Entsorgung und regulatorischen Hürden auf. Die komplexe Energieversorgung und Kommunikation in Implantat‑Netzwerken ist technisch anspruchsvoll. Ebenso bedürfen die Sicherheit drahtloser Energieübertragung und biomolekularer Kommunikationssysteme weiterer Evaluierung.

Dr. Alfred Stett vom Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Institut in Tübingen betont, dass es einer engen Zusammenarbeit zwischen Grundlagenforschenden, Entwicklern, Medizinern sowie Zulassungsstellen und Kostenträgern bedarf, um neue Technologien in die klinische Anwendung zu überführen. Die Fraunhofer‑Institute und Forschungspartner präsentieren ihre Fortschritte regelmäßig auf Fachmessen wie COMPAMED/MEDICA in Düsseldorf.

Laut Ankündigungen wurden dort unter anderem Mikroelektroden und Fortschritte in der Ultraschall‑Energieübertragung diskutiert.