12. COMPAMED Jarní fórum se věnovalo inovativním technologiím implantátů – důležitému výzkumnému oboru v lékařském inženýrství

Již po dvanácté uspořádaly veletrhy Düsseldorf a odborná asociace IVAM pro oblast mikrotechnologií jarní fórum COMPAMED jako představení trendů před samotnou veletržní výstavou COMPAMED. Ta je s téměř 800 vystavovateli nejvýznamnější mezinárodní veletrh pro dodavatele zdravotnické techniky a koná se každoročně v Düsseldorfu, letos od 12. do 15. listopadu 2018 (souběžně s MEDICOU). Jarní fórum s 45 účastníky z firem a institucí z osmi různých zemí se dne 3. května v Frankfurtu na letištním centru věnovalo tématu „Implantáty ve zdravotnické technice“ a zkoumalo toto téma ve čtyřech oblastech: „Technologie pro výrobu implantátů“, „Obalování implantátů“, „Materiály pro implantáty“ a „Mikrotechnologie v lékařských aplikacích“.

Jakou důležitost získal globální trh s lékařskými implantáty, ukazují průzkumy International Trade Administration a BCC Research: Výzkumníci odhadují objem trhu na 30 až 60 miliard eur, přičemž aktivní implantáty představují přibližně 15 miliard eur. „Aktivní“ v tomto smyslu označuje každý implantát vybavený zdrojem energie, obvykle baterií. Nicméně jsou možné i jiné způsoby napájení, například indukce.

Podle údajů společnosti `Market Research Future` jsou ortopedické implantáty s 31 procenty nejdůležitější oblastí, následují srdeční a spinální implantáty. Průměrná roční míra růstu v tomto důležitém segmentu zdravotnické techniky se odhaduje na více než sedm procent mezi lety 2017 a 2023. Nejrychleji roste segment srdečních implantátů a regionálně v oblasti Asie a Tichomoří. „Hlavními hnacími silami trhu u implantátů jsou v současnosti nové kombinace technologií a integrace elektroniky, zmenšování velikosti součástek, vysokofrekvenční a bezdrátové technologie a systémy sledování, zaznamenávání a řízení,“ vysvětluje Dick Molin, manažer segmentu zdravotnického trhu ve společnosti Specialty Coating Systems (SCS).

Aktivní implantáty patří mezi technicky nejnáročnější a nejrizikovější zdravotnické produkty a kladou zvláštní nároky na výzkum, vývoj, výrobu a schvalování. Inovace musí být vždy vyvíjeny s ohledem na bezpečnost pacienta, spolehlivost po celou dobu životnosti, biologickou kompatibilitu a biostabilitu, stejně jako na kompatibilitu s jinými lékařskými přístroji. Kromě těchto základních požadavků bude v budoucnu zvláštní důraz kladen na miniaturizaci implantátů, jejich efektivní a prostorově úsporné napájení, bezdrátovou výměnu dat a energie mezi implantátem a mimoorganickým zařízením, ale také mezi jednotlivými komponentami implantátu.

První srdeční stimulátor byl zaveden v roce 1958

Vývoj aktivních implantátů začal již v roce 1958, kdy byl na švédském institutu Karolinska implantován první srdeční stimulátor. V současnosti jsou běžně používány různé přístroje pro elektrostimulaci, zlepšení sluchu, podávání léků nebo jako zubní náhrady. Dále sem patří ortopedické implantáty například pro odklon kostí, implantáty na podporu srdce a různé senzory, které měří nitrolebeční a nitrooční tlak, stejně jako močový tlak nebo koncentraci glukózy. „Podle mého názoru je biostabilita vlastností, která je vlastně kritická u aktivních implantátů, protože musí přežít v velmi drsném prostředí,“ vysvětluje Thomas Velten, odpovědný za biomedical microsystems ve Fraunhofer IBMT. „Proto by měly být vhodně zakapslovány.“ Ověřené materiály pro tento účel jsou kovy, sklo a keramika. V současnosti pracuje IBMT na nových implantátech, které budou napájeny a komunikovat pomocí ultrazvuku. Implantáty – přibližně veliké jako 5centová mince – mají pouzdro z titanu. V budoucnu by celý síť podobných zmenšených součástek mohl synchronizovat svůj účinek prostřednictvím bezdrátové komunikace pomocí ultrazvuku.

Parylen, skupina inertních, hydrofobních, opticky průhledných polymerních povlakových materiálů, hraje klíčovou roli v mnoha pokročilých lékařských implantátech a zařízeních. Kromě uhlovodíku poly-p-xylylen (často označovaného jako Parylen N) se v této oblasti často používají také Parylen C a HT. Paryleny jsou nejen voděodpudivé, ale také chemicky odolné vůči anorganickým a organickým médiím, silným kyselinám, louhům, plynům a vodní páře. „Paryleny jsou jednou z nejpokročilejších technologií povlakování, které jsou díky svým vynikajícím elektrickým, bariérovým a biokompatibilním vlastnostem velmi vhodné pro kapsulaci implantátů,“ zdůrazňuje Aaron Clark z celosvětově přední společnosti Specialty Coating Systems. Parylenové vrstvy, které lze vyrábět ve velmi tenkých vrstvách, se používají zejména v oblastech jako technologie stentů, neurostimulace a neuromodulace, stejně jako infuzní technologie se zaměřením na řízení diabetu, kde hrají stále větší roli aktivní implantáty.

Pro dlouhodobé implantáty nebo pokud má být součástka co nejtenčí, nemůže samotný parylen zajistit požadovanou bariérovou funkci. Proto společnost Comelec SA vyvinula technologii s cílem překonat toto omezení kombinací parylenů s anorganickými vrstvami s vysokou bariérovou účinností, například oxidem křemíku nebo hliníku. „Díky synergickému efektu našich vícevrstvých systémů se podařilo snížit propustnost vodní páry o faktor 100,“ vysvětluje Dr. Florian Bourgeois, vedoucí výzkumu a vývoje v Comelec. Byla zavedená nová hybridní technologie, která kombinuje chemickou depozici plynných fází (CVD) parylenů s plazmově podporovanou depozicí plynné fáze (PECVD) keramických komponent v jedné komoře.

Aktivní implantáty pro personalizovanou neuroprotetiku

Významným oborem použití aktivních implantátů je neuroprotetika. V této oblasti společnost CorTec vyvinula technologii s uzavřenou smyčkou pro měření a stimulaci mozkové aktivity určenou pro dlouhodobé použití. „Základem našich aktivit je poznatek, že takové terapie musí být personalizované,“ říká Dr. Martin Schüttler, zakladatel a generální ředitel společnosti CorTec. Koncept Brain Interchange spočívá ve třech složkách: elektrodách pro odvod a stimulaci nervového systému, telemetrické jednotce pro optickou komunikaci s implantátem a počítačové jednotce, která v reálném čase vyhodnocuje mozkové signály a určuje aktuální potřebu stimulace pacienta. Elektrody vyrábí společnost CorTec sama – skládají se z pěti vrstev, které jsou vyráběny pomocí ultrakrátkých pulzních laserů a metod mikrovýroby. Díky tomu je možné je vyrábět v jakémkoli geometrickém tvaru (včetně trojrozměrného nebo ve tvaru manžety), s vysokou hustotou kontaktů a pro různé aplikace. CorTec tak vyrábí jak komponenty, tak kompletní aktivní systémy.

Pod pojmem elektrospin se rozumí výroba většinou velmi tenkých vláken z polymerních roztoků pomocí vystavení elektrickému poli. Tuto metodu používá také společnost Statice k vytváření nových designových možností pro vývoj a výrobu pokročilých lékařských součástek. Podmínkou jsou kontrolované podmínky týkající se teploty, vlhkosti a částic. Pomocí různých trysek lze dosáhnout různých řešení: trubek složitých tvarů, zvlášť tenkých trubek nebo plachet podobných povrchů. Používají se například při povlakování kovových implantátů, filtrace, podávání léků nebo regeneraci kůže. V oblasti řízení uvolňování léků je možné například načíst do vláken účinné látky a kontrolovaně je uvolňovat. „Na míru přizpůsobené vlastnosti, jako je průměr vláken a jejich pórovitost, umožňují buněčné osídlení,“ vysvětluje Benoit Studlé, generální ředitel společnosti Statice. Již probíhá studie proveditelnosti na začlenění antibakteriální látky do vláken pro použití v zubním lékařství.

Degradovatelné materiály pro samovolné rozpuštění implantátu

U mnoha implantátů je cílem co nejdelší životnost, u některých však také to, aby v těle nezůstávaly trvale. V rámci Fraunhofer IFAM v Drážďanech byl vyvinut degradovatelný magnesiumový implantát s vláknitou strukturou jako řešení pro léčbu větších kostních defektů. Tento implantát slouží k vedení růstu kosti, přičemž je zvlášť stimulován díky příznivým biomechanickým vlastnostem. Současně umožňuje růst krevních cév. Současně s hojením se implantát rozkládá. Dosud byly větší kostní poškození léčeno převážně vlastním kostním materiálem pacienta. Tento zdroj je však omezený. Navíc je extrakce – obvykle z kyčelního kloubu – spojena s dalšími riziky pro pacienta. Alternativou je syntetická náhrada kostní hmoty, která je však mechanicky často málo odolná a dlouhodobě narušuje zobrazovací metody. Ideálním řešením jsou proto degradovatelné materiály, tedy implantáty, které po uzdravení zmizí – jako například inovativní magnesiumový implantát Fraunhofer IFAM Dresden. Výchozím bodem technologického vývoje je výroba magnesiumových krátkých vláken extrakcí ze taveniny. Vláken se rovnoměrně ukládají, zahřívají a spojí se a zhutní. Takto vyrobené implantáty mají vynikající mechanické vlastnosti a především výborné korozní vlastnosti, které splňují fyziologické požadavky. U zvířecího modelu bylo po 12 týdnech zaznamenáno počáteční pomalé koroze, po 24 týdnech většina kovových implantátů zmizela. „Naše hlavní komerční aplikace jsou osteosyntéza a kardiovaskulární stenty,“ zdůrazňuje Dr. Peter Quadbeck, vedoucí týmu pokročilých materiálů ve Fraunhofer IFAM. Vlastnosti produktů přesvědčily i firmy. Například společnost Botiss Biomaterials GmbH, která má zájem o licencování tohoto materiálu pro použití v ústní chirurgii, nyní zvažuje vybudování vhodné výrobní linky.

„Šipkový katétr“ pro jednodušší punkci krevních cév

Punkce krevních cév je běžnou součástí lékařské praxe. Je také prvním krokem k zavedení katétrů do takových cév, které slouží například k podávání léků nebo infuzí – a je nezbytná při všech nouzových situacích, kdy je potřeba krevní transfuze. Obvykle se při použití punkčních systémů pro otevření větších cév používá technika zvaná Seldinger, která byla poprvé zveřejněna v roce 1953. Tato technika je časově, prostorově i materiálově náročná a obvykle vyžaduje asistenci lékaře. Seldingerova technika zahrnuje mnoho jednotlivých kroků, celá procedura trvá až přibližně 30 minut. V této souvislosti představila společnost Ebnet Medical významnou novinku: pod názvem `SWORDCATH` byl vytvořen punkční systém, který již obsahuje všechny potřebné komponenty a je uživatelsky přívětivě zabalen. „Náš systém využívá novou intuitivně naučitelnou punkční techniku a kombinuje malou punkční jehlu s větším katétrem,“ uvádí Dr. Jens Ebnet, zakladatel a generální ředitel společnosti s tímto názvem. Nové řešení, které je již patentováno v mnoha zemích, má nejen výrazně zkrátit čas potřebný k zákroku, ale také eliminovat nutnost asistence. „Vývojem `SWORDCATH` cílíme na velmi široký trh, protože samotné zavádění katétrů do krevních cév se provádí milionkrát ročně po celém světě,“ dodává Ebnet, který momentálně hledá partnery pro klinické zkoušky, jež jsou dalším krokem.

Nové materiály, inovativní postupy a kombinované použití elektroniky a mikrosystémové techniky nejsou pouze charakteristické pro moderní implantáty, ale představují i základní hlavní témata veletrhu COMPAMED. V roce 2018 (ve spolupráci s největším světovým lékařským veletrhem MEDICA) se od 12. do 15. listopadu v Düsseldorfu nejen představí nejnovější vývojové trendy v této oblasti, ale také mnoho dalších výzkumných oblastí, jako je digitalizace a miniaturizace v lékařské technice.