12. COMPAMED Frühjahrsforum az innovatív implantátum-technológiáknak szentelte – egy fontos kutatási terület az orvostechnikában

Az Essen Düsseldorf és az IVAM Mikrotechnológiai Szakmai Szövetség már 12. alkalommal szervezte meg a COMPAMED Tavaszi Fórumot, mint trendelőrejelzést a COMPAMED számára. Ez utóbbi a legutóbbi években közel 800 kiállítóval nemzetközileg vezető szakkiállítás az orvostechnikai beszállítók számára, és évente Düsseldorfban kerül megrendezésre, idén 2018. november 12-15. között (egy időben a MEDICA-val). A Tavaszi Fórum 45 résztvevővel különböző nemzetekből, vállalatoktól és intézményektől, május 3-án Frankfurt Airport Centerben került megrendezésre „Implantátumok az orvostechnikában” címmel, és ezt a témát a „Technológiák az implantátumok gyártásához”, „Implantátumok csomagolása”, „Anyagok az implantátumokhoz”, valamint „Mikrotechnológia orvosi alkalmazásokban” négy területén vizsgálták.

Az orvostechnikai implantátumok globális piacának jelentőségét mutatják a Nemzetközi Kereskedelmi Hivatal és a BCC Research felmérései: a kutatók 30-60 milliárd eurós piaci volumenre becsülik, ebből az aktív implantátumok kb. 15 milliárd eurós részesedéssel bírnak. Az „aktív” ebben az értelemben minden olyan implantátumot jelent, amely energiát biztosító forrással van ellátva, általában egy akkumulátorral. Ugyanakkor más energiaellátási módok, például indukció is lehetségesek.

A `Market Research Future` szerint a legfontosabb terület a 31 százalékos részesedéssel az ortopédiai implantátumok, ezeket követik a szív- és gerincimplantátumok. Az éves átlagos növekedési ráta ebben a fontos orvostechnikai szegmensben 2017 és 2023 között több mint hét százalékra becsülhető. A leggyorsabb növekedés a szívimplantátumoknál és regionálisan az Ázsia-Csendes-óceáni térségben figyelhető meg. „Az implantátumok piacát jelenleg az új technológiai kombinációk és az elektronika integrációja hajtja, a csökkenő alkatrészméret, a magas frekvenciás és vezeték nélküli technológiák, valamint a felügyeleti, érzékelő és irányító rendszerek” – magyarázza Dick Molin, a Specialty Coating Systems (SCS) orvosi piaci szegmens menedzsere.

Az aktív implantátumok a legkorszerűbb és legkockázatosabb orvostechnikai termékek közé tartoznak, és különösen magas követelményeket támasztanak a kutatás, fejlesztés, gyártás és engedélyezés terén. Az innovációknak mindig a betegbiztonság, a megbízhatóság az élettartam során, a biológiai kompatibilitás és biostabilitás, valamint az egyéb orvostechnikai eszközökkel való kompatibilitás szempontjából kell történniük. Ezen alapvető követelmények mellett a jövőben különösen fontos lesz az implantátumok miniaturizálása, hatékony és helytakarékos energiaellátásuk, az adatok és energia vezeték nélküli cseréje az implantátum és az extrakorporális egység között, valamint az implantátum alkatrészei közötti kommunikáció.

Az első szívritmus-szabályozó 1958-ban került beültetésre

A aktív implantátumok fejlesztése 1958-ban kezdődött, amikor a svéd Karolinska Intézetben beültettek egy első szívritmus-szabályozót. Azóta számos eszköz vált általánossá elektromos stimulációhoz, hallásjavításhoz, gyógyszeradagoláshoz vagy fogpótláshoz. Emellett ortopédiai implantátumok is alkalmazásra kerülnek, többek között csonteltereléshez, szív támogatására, valamint különböző érzékelők, amelyek mérik az intrakraniális és intraokuláris nyomást, a hólyagnyomást vagy a glükózszintet. „Szerintem a biostabilitás az igazán kritikus jellemző az aktív implantátumok esetében, mert nagyon zord környezetben kell túlélniük” – magyarázza Thomas Velten, a Fraunhofer IBMT Biomedical Microsystems osztályvezetője. „Ezért megfelelő módon be kell őket zárni.” Bebizonyított anyagok erre a fémek, üveg és kerámia. Mostanában az IBMT új implantátumokon dolgozik, amelyek energiaellátását és kommunikációját ultrahang segítségével oldják meg. Az implantátumok – körülbelül egy 5-centes érme méretű felületen – titán házban vannak. A jövőben egy ilyen, tovább miniaturizált alkatrészekből álló hálózat szinkronizálhatja működését vezeték nélküli ultrahang kommunikációval.

A Parylene, egy inert, vízlepergető, optikailag átlátszó, polimer bevonóanyag-csoport, kulcsszerepet játszik számos fejlett orvosi implantátumban és eszközben. A szénhidrogén alapú polimert, a Poly-p-xylylen-t (gyakran Parylen N-ként emlegetik), ezen a területen a Parylen C és HT is gyakran alkalmazzák. A Parylene nemcsak vízlepergető, hanem kémiailag ellenálló az inorganikus és organikus anyagokkal, erős savakkal, lúgokkal, gázokkal és vízgőzzel szemben. „A Parylene a legfejlettebb bevonástechnológiák közé tartozik, amelyek kiváló elektromos, barrier és biokompatibilitási tulajdonságai miatt különösen alkalmasak implantátumok kapszulázására” – hangsúlyozza Aaron Clark, a világvezető Parylen-szolgáltató Specialty Coating Systems képviselője. A Parylene bevonatok, amelyek ultra-vékonyan is alkalmazhatók, különösen olyan területeken használatosak, mint sztenttechnológia, neurostimuláció és neuromoduláció, valamint infúziós technológiák, különösen a cukorbetegség kezelésében, ahol egyre nagyobb szerepet kapnak az aktív implantátumok.

Hosszú távú implantátumok vagy olyan alkatrészek esetében, amelyeknek a lehető legvékonyabbnak kell lenniük, a Parylen önmagában nem biztosítja a szükséges barrierhatást. Ezért a Comelec SA olyan technológiát fejlesztett ki, amelynek célja ennek a korlátozásnak a felülmúlása, azzal, hogy a Parylen-t egy magas barrierhatású szilárd réteggel, például szilícium- vagy alumínium-oxid réteggel kombinálja. „A több rétegből álló rendszereink szinergikus hatásának köszönhetően sikerült a vízgőzáteresztő képességet százszorosára csökkenteni” – magyarázza Dr. Florian Bourgeois, a Comelec kutatás-fejlesztési vezetője. Ehhez egy új hibrid folyamatot alakítottak ki, amely a Parylen kémiai gázfázisú leválasztását (CVD) és a kerámia alkatrészek plazma-alapú gázfázisú leválasztását (PECVD) egy kamrában kombinálja.

Aktív implantátumok személyre szabott neuroprotézishez

Az aktív implantátumok egyik fontos alkalmazási területe a neuroprotézis. Ebben a szegmensben a CorTec kifejlesztett egy zárt hurkos technológiát az agyi aktivitás mérésére és stimulálására hosszú távon. „Alapvetésünk az a felismerés, hogy az ilyen terápiákat személyre kell szabni” – mondja Dr. Martin Schüttler, a CorTec alapítója és ügyvezető igazgatója. A Brain Interchange koncepció három összetevőn alapul: elektródák az idegrendszer levezetéséhez és stimulálásához, a telemetria egység az optikai kommunikációhoz az implantátummal, valamint a számítógépes egység, amely valós időben értékeli az agyi jeleket, hogy meghatározza a beteg aktuális stimulációs igényét. A CorTec maga gyártja az elektródákat – öt rétegből állnak, amelyeket ultrarövid pulzáló lézerekkel és mikrogyártási módszerekkel készítenek. Ennek köszönhetően bármilyen geometriai formában (akár háromdimenziós vagy Cuff-Designban), nagy kontaktus sűrűséggel, valamint sokféle alkalmazásra gyárthatók. A CorTec tehát mind alkatrészeket, mind teljes aktív rendszereket gyárt.

Az elektrospinning a polimer oldatokból készült, általában nagyon vékony szálak gyártását jelenti elektromos mezőben történő kezelés révén. Ezt a módszert a Statice is alkalmazza, hogy új tervezési lehetőségeket teremtsen a fejlett orvosi alkatrészek fejlesztésében és gyártásában. Ehhez kontrollált körülmények szükségesek, mint hőmérséklet, páratartalom és részecskék. Különböző fúvókák alkalmazásával különböző oldatokat lehet elérni: összetett formájú csöveket, különösen vékony csöveket vagy tapasz-szerű felületeket. Ezeket alkalmazzák fémimplantátumok bevonására, szűrésre, gyógyszeradagolásra vagy bőrfelület regenerálására. A gyógyszeradagolásnál például elképzelhető, hogy a hatóanyagokat a szálakba töltik és kontrollált módon szabadítják fel. „Az egyedi jellemzők, mint a szálak átmérője és pórusossága, lehetővé teszik a sejtesedést” – magyarázza Benoit Studlé, a Statice ügyvezető igazgatója. Már folyamatban van egy kutatás, amely antibakteriális hatóanyag beépítését célozza a szálakba, fogászati alkalmazásra.

Degradálható anyagok az önfelszívódó implantátumokhoz

Sok implantátumnál a lehető leghosszabb élettartam a cél, de néhány esetben az is fontos, hogy ne maradjanak tartósan a szervezetben. A Fraunhofer IFAM Drezdában kifejlesztett egy lebomló magnéziumimplantátumot roststruktúrával, amely a csont számára vezetőként szolgál a növekedés során, különösen a kedvező biomechanikai tulajdonságok miatt. Egyidejűleg lehetővé teszi a vérerek beépülését is. A gyógyulási folyamat során az implantátum fokozatosan lebomlik. Korábban a nagyobb csonttöréseket főként a beteg saját csontjával gyógyították, de ez korlátozottan elérhető. Emellett a csontkinyerés – általában a medencecsontból – további kockázatokat rejt magában a beteg számára. Alternatívaként szintetikus csontpótló anyagok alkalmazhatók, de ezek gyakran kevésbé mechanikailag terhelhetők, és tartós zavarokat okozhatnak a képalkotásban. Ideális megoldásnak tekinthetők a lebomló anyagok, például az innovatív magnéziumimplantátum, amely a technológiai fejlesztés kiindulópontja. A gyártás alapja a magnézium rövid szálak extrudálása olvasztékból. A szálakat egyenletesen helyezik el, majd hőkezeléssel összekapcsolják és tömörítik. Az így készült implantátumok kiváló mechanikai tulajdonságokkal és kiemelkedő korrózióállósággal rendelkeznek, amelyek megfelelnek a fiziológiai követelményeknek. Állatkísérletekben 12 hét után lassú korrózió figyelhető meg, 24 hét után pedig a legtöbb fém implantátum elbomlik. „Legfontosabb kereskedelmi alkalmazásaink az osteosynthesis és a kardiovaszkuláris stentek” – hangsúlyozza Dr. Peter Quadbeck, az Fraunhofer IFAM fejlett anyagok csoportvezetője. A termékek tulajdonságai más vállalatokat is meggyőztek. A Botiss Biomaterials GmbH, mint licencpartner, tervezi az anyag alkalmazását szájsebészetben, és jelenleg értékeli egy megfelelő gyártási lánc kiépítését.

„Szablya-katéter” egyszerűbb vérerek punkciójához

A vérerek punkciója a mindennapi orvosi gyakorlat része. Ez az első lépés a katéterek bevezetéséhez olyan erekbe, amelyekben gyógyszereket vagy infúziókat juttatnak be a betegekhez – ez elengedhetetlen minden sürgősségi esetben, amikor vérátömlesztésre van szükség. Általában a nagyobb vérerek punkciójára a Seldinger-technológiát alkalmazzák, amelyet 1953-ban publikáltak. Ez a technika idő-, hely- és anyagigényes, ráadásul a végrehajtó orvosnak általában segédre van szüksége. A Seldinger-technika sok lépést foglal magában, a folyamat akár 30 percet is igénybe vehet. Ennek fényében az Ebnet Medical bemutatott egy figyelemre méltó új fejlesztést: a `SWORDCATH` néven ismert punkciós rendszert, amely már tartalmazza az összes szükséges alkatrészt, és felhasználóbarát módon van csomagolva. „Rendszerünk egy új, intuitív módon elsajátítható punkciós technikát alkalmaz, és egy kisebb punkciós tűt kombinál egy nagyobb katéterrel” – mondja Dr. Jens Ebnet, a cég alapítója és ügyvezető igazgatója. Az új megoldás, amelyet már számos országban szabadalmaztatnak, jelentős időmegtakarítást eredményezhet, és kiküszöböli a korábban szükséges segéd személyzetet. „A `SWORDCATH` fejlesztésével egy igen széles piacot célozunk meg, hiszen csak a vérerekbe történő katéterezés évente milliószám történik világszerte” – mondja Ebnet, aki jelenleg klinikai tesztpartnereket keres, akik a következő lépésben tesztelhetik az eszközt.

Az új anyagok, innovatív eljárások és az elektronika és mikrotechnika kombinált alkalmazása nemcsak a modern implantátumok sajátjai, hanem alapvető irányelvek a COMPAMED-en. A COMPAMED 2018 (egybeesve a világ legnagyobb orvosi kiállításával, a MEDICÁ-val) november 12–15. között Düsseldorfban nemcsak a legújabb fejlesztéseket mutatja be ezen a területen, hanem számos más kutatási területet is, mint például a digitalizáció és a miniaturizáció az orvostechnikában.