12. COMPAMED Voorjaarsforum wijdde zich aan innovatieve implantaattechnologieën – een belangrijk onderzoeksgebied in de medische technologie

Al voor de 12e keer organiseerden de Messe Düsseldorf en de IVAM Vakvereniging voor Microtechnologie het COMPAMED Voorjaarsforum als trendvoorspelling voor de COMPAMED. Deze beurs, met recent bijna 800 exposanten, is de internationaal leidende vakbeurs voor toeleveranciers in de medische technologie en vindt jaarlijks plaats in Düsseldorf, dit jaar van 12 tot 15 november 2018 (parallel aan MEDICA). Het Voorjaarsforum met 45 deelnemers uit bedrijven en instellingen uit acht verschillende landen stond op 3 mei in het Airport Center Frankfurt onder de titel “Implantaten in de Medische Technologie” en behandelde dit onderwerp in de vier gebieden “Technologieën voor de productie van implantaten”, “Verpakking van implantaten”, “Materialen voor implantaten” en “Mikrotechnologie in medische toepassingen”.

De betekenis die de wereldwijde markt voor medische implantaten heeft gekregen, blijkt uit onderzoeken van de International Trade Administration en BCC Research: de marktonderzoekers schatten het volume op 30 tot 60 miljard euro, waarvan actieve implantaten ongeveer een aandeel van 15 miljard euro uitmaken. “Actief” in deze zin verwijst naar elk implantaat dat is uitgerust met een energiebron, meestal een batterij. Maar ook andere vormen van energievoorziening zoals inductie zijn mogelijk.

Volgens gegevens van `Market Research Future´ zijn orthopedische implantaten met 31 procent het belangrijkste segment, gevolgd door hart- en wervelkolomimplantaten. De gemiddelde jaarlijkse groeisnelheid in dit belangrijke segment van de medische technologie wordt tussen 2017 en 2023 op ruim zeven procent geschat. De snelste groei vindt plaats bij hartimplantaten en regionaal gezien in de regio Azië-Pacific. “De marktdrijfveren voor implantaten zijn momenteel de nieuwe combinatie van technologieën en de integratie van elektronica, een afnemende componentgrootte, hoogfrequentie- en draadloze technologieën, evenals monitorings-, detectie- en controlesystemen,” legt Dick Molin uit, Medical Market Segment Manager bij Specialty Coating Systems (SCS).

Actieve implantaten behoren tot de technisch meest geavanceerde en risicovolste medische producten en stellen bijzonder hoge eisen aan toegepaste onderzoek, ontwikkeling, productie en goedkeuring. Innovaties moeten altijd worden ontwikkeld met het oog op patiëntveiligheid, betrouwbaarheid gedurende de hele levensduur, biologische compatibiliteit en biostabiliteit, evenals compatibiliteit met andere medische apparatuur. Naast deze fundamentele eisen krijgen in de toekomst de miniaturisatie van implantaten, de efficiënte en ruimtebesparende energievoorziening, het draadloos uitwisselen van gegevens en energie tussen implantaat en extrakorporale eenheid, maar ook tussen implantaatcomponenten, bijzondere betekenis.

Eerste hartpacemaker werd in 1958 geïmplanteerd

De ontwikkeling van actieve implantaten begon al in 1958, toen het Zweedse Karolinska Instituut de eerste hartpacemaker implanteerde. Inmiddels zijn diverse apparaten voor elektrostimulatie, gehoorverbetering, medicatietoediening of als tandvervanging gangbaar. Daarnaast komen orthopedische implantaten voor onder andere botafleiding, hartondersteuning en verschillende sensoren die intracranieel en intraoculair druk meten, evenals blaasdruk of glucoseconcentratie. “Naar mijn mening is biostabiliteit eigenlijk het kritische kenmerk bij actieve implantaten, omdat ze in een zeer ruwe omgeving moeten overleven,” legt Thomas Velten uit, verantwoordelijk voor Biomedical Microsystems bij Fraunhofer IBMT. “Daarom moeten ze op de juiste wijze worden ingekapseld.” Bewezen materialen hiervoor zijn metalen, glas en keramiek. Inmiddels werkt het IBMT aan nieuwe implantaten die hun energievoorziening en communicatie via ultrasoon geluid regelen. De implantaten – ongeveer zo groot als een 5-centmunt – hebben een behuizing van titanium. In de toekomst zou een heel netwerk van dergelijke verder geminiatureerde onderdelen hun werking kunnen synchroniseren via draadloze communicatie met ultrasoon geluid.

Parylene, een groep inert, hydrofobe, optisch transparante, polymeercoatings, speelt een sleutelrol bij veel geavanceerde medische implantaten en apparaten. Naast de koolwaterstof poly-p-xylylen (vaak aangeduid als Parylen N) worden in dit gebied ook Parylen C en HT vaak gebruikt. Parylene zijn niet alleen waterafstotend, maar ook chemisch resistent tegen anorganische en organische media, sterke zuren, basen, gassen en waterdamp. “Parylene is een van de meest geavanceerde coatingtechnologieën die vanwege haar uitstekende elektrische, barrière- en biocompatibiliteitseigenschappen zeer geschikt is voor het kapselen van implantaten,” benadrukt Aaron Clark van de wereldwijde marktleider in Parylene, Specialty Coating Systems. Parylene-coatings, die ultradun kunnen worden aangebracht, worden vooral gebruikt in gebieden zoals stenttechnologie, neurostimulatie en neuromodulatie, evenals infusietechnologieën met een focus op diabetesbeheer, waarin steeds meer actieve implantaten een rol spelen.

Voor langdurige implantaten of wanneer het onderdeel zo dun mogelijk moet zijn, kan Parylen alleen niet de vereiste barrièreprestatie leveren. Daarom heeft Comelec SA een technologie ontwikkeld met als doel deze beperking te overwinnen door Parylen te combineren met een anorganische laag met hoge barrièrewerking, zoals silicium- of aluminiumoxide. “Dankzij de synergetische werking van onze meerlagige systemen is het gelukt om de waterdampdoorlaatbaarheid met een factor 100 te verminderen,” legt Dr. Florian Bourgeois uit, hoofd onderzoek en ontwikkeling bij Comelec. Hiervoor is een nieuwe hybrideproces geïntroduceerd dat de chemische gasfasedepositie (CVD) van Parylen combineert met de plasma-ondersteunde gasfasedepositie (PECVD) van keramische componenten in één kamer.

Actieve implantaten voor gepersonaliseerde neuroprothetiek

Een belangrijk toepassingsgebied van actieve implantaten is de neuroprothetiek. In dit gebied heeft CorTec een closed-loop-technologie ontwikkeld voor het meten en stimuleren van hersenactiviteit voor langdurig gebruik. “De basis van onze activiteiten is de erkenning dat dergelijke therapieën gepersonaliseerd moeten worden,” zegt Dr. Martin Schüttler, oprichter en CEO van CorTec. Het Brain Interchange-concept is gebaseerd op drie componenten: elektroden voor afleiding en stimulatie van het zenuwstelsel, de telemetrie-eenheid voor optische communicatie met het implantaat, en de computer-eenheid die de hersensignalen in realtime analyseert om de actuele stimulatiebehoefte van de patiënt te bepalen. De elektroden produceert CorTec zelf – ze bestaan uit vijf lagen die met ultrakorte pulslasers en microfabricagemethoden worden vervaardigd. Hierdoor kunnen ze in elke geometrische vorm (ook driedimensionaal of in cuff-ontwerp), met hoge contactdichtheid en voor diverse toepassingen worden geproduceerd. CorTec produceert dus zowel componenten als complete actieve systemen.

Onder elektrospin wordt de productie verstaan van meestal zeer dunne vezels uit polymerenoplossingen door behandeling in een elektrisch veld. Deze methode gebruikt het bedrijf Statice ook om nieuwe ontwerpmogelijkheden te creëren voor de ontwikkeling en productie van geavanceerde medische onderdelen. Voorwaarde hiervoor zijn gecontroleerde omstandigheden qua temperatuur, vochtigheid en deeltjes. Door gebruik te maken van verschillende spuitmonden kunnen verschillende oplossingen worden bereikt: buizen met complexe vormen, bijzonder dunne buizen of pleisterachtige oppervlakken. Ze worden toegepast bij het coaten van metalen implantaten, filtratie, medicatietoediening en huidregeneratie. Bij drug delivery is bijvoorbeeld denkbaar dat de werkzame stoffen in de vezels worden geladen en gecontroleerd worden vrijgegeven. “Op maat gemaakte kenmerken zoals de diameter van de vezels en hun porositeit maken celbezetting mogelijk,” legt Benoit Studlé uit, CEO van Statice. Een haalbaarheidsstudie naar het insluiten van een antibacteriële werkzame stof in vezels voor toepassing in de tandheelkunde is al in uitvoering.

Afbreekbare materialen voor zelfoplossende implantaten

Bij veel implantaten draait het om een zo lang mogelijke levensduur, maar bij sommige ook om het feit dat ze niet permanent in het lichaam blijven. Bij het Fraunhofer IFAM in Dresden is als oplossing voor de behandeling van grotere botdefecten een afbreekbaar magnesiumimplantaat met een vezelstructuur ontwikkeld. Deze dient als leidstructuur voor het bot tijdens de groei, die door de gunstige biomechanische eigenschappen van het implantaat bijzonder wordt gestimuleerd. Tegelijkertijd maakt de structuur het ingroeien van bloedvaten mogelijk. Parallel aan het genezingsproces wordt het implantaat afgebroken. Tot nu toe werden grotere botwonden vooral met eigen bot van de patiënt behandeld. Maar dit is natuurlijk slechts beperkt beschikbaar. Bovendien brengt het verwijderen – meestal uit het bekkenkam – extra risico’s voor de patiënt met zich mee. Een alternatief is synthetisch botvervanging, die echter mechanisch vaak weinig belastbaar is en door blijvende verstoringen in de beeldvorming ongunstig. Daarom worden afbreekbare materialen als ideale oplossing beschouwd, dat wil zeggen implantaten die na genezing verdwijnen – zoals het innovatieve magnesiumimplantaat van Fraunhofer IFAM Dresden. Het uitgangspunt van de technologische ontwikkeling is de productie van magnesium-kortvezels door extractie uit de smelter. De vezels worden gelijkmatig afgelegd en door verwarming aan elkaar verbonden en gecomprimeerd. De aldus vervaardigde implantaten beschikken over zeer goede mechanische eigenschappen en vooral uitstekende corrosie-eigenschappen, die voldoen aan de fysiologische eisen. In diermodellen kon na 12 weken een aanvankelijk langzame corrosie worden vastgesteld, na 24 weken was het grootste deel van de metalen implantaten verdwenen. “Onze belangrijkste commerciële toepassingen zijn osteosynthese en cardiovasculaire stents,” benadrukt Dr. Peter Quadbeck, teamleider Advanced Materials bij Fraunhofer IFAM. De eigenschappen van de producten hebben ook bedrijven overtuigd. Zo plant Botiss Biomaterials GmbH, als licentiehouder, de toepassing van het materiaal in de mondchirurgie en wordt momenteel de opbouw van een geschikte productieketen geëvalueerd.

‘Swaardkatheter’ voor eenvoudigere punctie van bloedvaten

De punctie van bloedvaten is een veelvoorkomend dagelijks onderdeel in de geneeskunde. Het is ook de eerste stap om katheters in dergelijke vaten te brengen, waarmee patiënten onder andere worden voorzien van medicijnen en infusen – onmisbaar bij alle noodgevallen waarbij bloedtransfusies nodig zijn. Gewoonlijk wordt bij het gebruik van punctiesystemen voor het openen van grotere bloedvaten de zogenaamde Seldinger-techniek gebruikt, die al in 1953 werd gepubliceerd. Deze techniek is tijd-, ruimte- en materiaalintensief, bovendien heeft de arts meestal een assistent nodig. De Seldinger-techniek omvat vele stappen, waardoor de procedure tot ongeveer 30 minuten kan duren. Tegen deze achtergrond heeft Ebnet Medical een opmerkelijke nieuwe ontwikkeling gepresenteerd: onder de naam `SWORDCATH´ is een punctiesysteem ontwikkeld dat alle benodigde componenten bevat en gebruiksvriendelijk is verpakt. “Ons systeem gebruikt een nieuwe, intuïtief te leren punctietechniek en combineert een kleine punctienaald met een grotere katheter,” zegt Dr. Jens Ebnet, oprichter en CEO van het gelijknamige bedrijf. De nieuwe oplossing, die inmiddels in veel landen is gepatenteerd, moet naast een aanzienlijke tijdwinst ook de benodigde assistent overbodig maken. “Met de ontwikkeling van de `SWORDCATH´ richten we ons op een zeer brede markt, want alleen al het plaatsen van katheters in bloedvaten wordt wereldwijd miljoenen keren per jaar uitgevoerd,” aldus Ebnet, die momenteel op zoek is naar partners voor klinische tests, die de volgende stap moeten vormen.

Nieuwe materialen, innovatieve processen en het gecombineerde gebruik van elektronica en microsystementechnologie zijn niet alleen kenmerkend voor moderne implantaten, maar vormen ook fundamentele leidende thema’s van COMPAMED. De COMPAMED 2018 zal (parallel aan de wereldwijde grootste medische beurs MEDICA) van 12 tot 15 november in Düsseldorf niet alleen de nieuwste ontwikkelingen op dit gebied presenteren, maar ook vele andere onderzoeksgebieden zoals digitalisering en miniaturisering in de medische technologie.