COMPAMED Innovationsforum 2024: Implantattechnologien revolutioneren de medische technologie

Onopvallend en toch zeer innovatief - implantaten zijn hightechproducten (© Constanze Tillmann).

Medische implantaten hebben de gezondheidszorg revolutionair veranderd. Kleine en krachtige apparaten nemen dankzij miniaturisering en groeiende intelligentie steeds meer functies over in het menselijk lichaam. “Van pacemakers tot kunstgewrichten en innovatieve neurologische implantaten bieden ze een breed scala aan oplossingen voor medische behoeften”, legt Dr. Thomas R. Dietrich uit, CEO van de vakvereniging Mikrotechnik IVAM. “Smart Implant Technology” was in dit verband het overkoepelende thema van het dit jaar gehouden COMPAMED Innovatieforum. Het digitale evenement, vormgegeven als webinar op 3 juni, werd opnieuw gezamenlijk georganiseerd door IVAM en Messe Düsseldorf en gaf een vooruitblik op een centraal thema van de COMPAMED, die in 2024 weer plaatsvindt in de beurshallen 8a en 8b in Düsseldorf van 11 tot 14 november.

De internationale toonaangevende beurs voor de toeleveringssector van de medische technologie, die altijd parallel loopt aan de wereldleidende medische beurs MEDICA, biedt het volledige spectrum van materialen, systemen, producten en diensten voor medische technologie. “Vorig jaar telden MEDICA en COMPAMED in totaal 83.000 bezoekers. Op basis van de huidige boekingsontwikkeling verwachten wij opnieuw ongeveer 750 exposerende bedrijven op de COMPAMED en meer dan 5.000 op de MEDICA”, kijkt Christian Bigge van Messe Düsseldorf terug en vooruit.

De marktgegevens die onder andere het marktonderzoeksbedrijf Skyquest Technologies Group heeft gepubliceerd, onderbouwen de betekenis van medische implantaten vandaag en in de toekomst. Volgens hen werd de wereldwijde markt voor medische implantaten in 2022 geschat op 90,3 miljard dollar en zal tot 2030 met een jaarlijkse groei van 6,8 procent toenemen tot 152,85 miljard dollar. Medische implantaten werden ontwikkeld om lichaamsfuncties te herstellen, pijn te verlichten en de levenskwaliteit van mensen te verbeteren. Een belangrijke drijfveer op de markt voor medische implantaten is de toenemende prevalentie van chronische ziekten en ouderdomsgebonden aandoeningen, waaronder artrose, hart- en vaatziekten en degeneratieve hernia's. Daarnaast dragen technologische vooruitgang in implantattechnologieën en chirurgische technieken bij aan de marktgroei, doordat ze de ontwikkeling van nog preciezere en minimaal invasieve implantaatprocedures mogelijk maken. De wereldwijde markt voor medische implantaten biedt aanzienlijke groeikansen en ontwikkelingsmogelijkheden. Innovaties zoals 3D-printen, biocompatibele materialen en nanotechnologie beloven de ontwikkeling van op maat gemaakte implantaten, verbeterde implantaatoppervlakken en biocompatibiliteit.

Met magnetische kracht naar slimme implantaten

Magneten spelen een belangrijke rol bij de verdere ontwikkeling van “slimme” implantaten. Twee factoren zijn hierbij bijzonder belangrijk: De magnetische technologie verbetert de resultaten voor de patiënt doordat ze enerzijds de invasiviteit vermindert en de levenskwaliteit verhoogt, en anderzijds een zeer breed toepassingsgebied dekt, van cochleaire implantaten tot implantaten voor medicatie. Dit is ook te danken aan het feit dat zowel zachtmagnetische als hardmagnetische materialen beschikbaar zijn. Wanneer de typen gemagnetiseerd worden, ontstaan verschillende gedragingen, toepassingen en gebruiksmogelijkheden: Zachtmagnetische materialen kunnen relatief eenvoudig in hun magnetische toestand worden veranderd, terwijl hardmagnetische materialen, wanneer ze gemagnetiseerd zijn, moeilijk te veranderen zijn en als permanent worden beschouwd. “Dankzij deze diversiteit biedt het gebruik van onze magneten een reeks technologische en klinische voordelen. Daartoe behoren de fijne afstelling van de implantaatfunctie voor betere therapeutische resultaten, niet-invasieve aanpassingen en energietransmissie, verhoogd comfort voor de patiënt door kleinere, efficiëntere implantaten en verbeterde veiligheid door strikte naleving van wettelijke normen”, zegt Mike Schilling, Medical Market Manager bij Dexter Magnetic Technologies.

Het bedrijf is een van de leidende ontwikkelaars van magnetische oplossingen voor implanteerbare medische apparaten. Daaronder valt bijvoorbeeld een hartondersteuningsapparaat dat werkt met minimaal invasieve hartpompen, die miniatuurmotoren vereisen. Een hoog magnetisch moment zorgt voor de benodigde draaimoment, terwijl de hoge coercitieve kracht weerstand biedt tegen demagnetisering. “Hierdoor kunnen we de grootte en de verhoudingen verder verkleinen”, zegt Schilling. Een ander voorbeeld: de intramedullaire pen is een implantaat met een uniek magnetisch-mechanisch mechanisme dat een uiterst precieze botverlenging van de onderste ledematen mogelijk maakt. Dit wordt mogelijk gemaakt door het gebruik van titaniumlegeringen en ferrietvrije materialen, die het magnetisme gebruiken voor krachtoverdracht. Met het ontwikkelde implantaat wordt een botverlenging van tot 85 millimeter bereikt. Een project voor lymfedrainage bevindt zich momenteel nog in ontwikkeling. Het maakt gebruik van magnetische koppelingstechnologie om de beweging en afvoer van lymfevocht te vergemakkelijken en moet de tekortkomingen van de tot nu toe gebruikte methoden overwinnen.

3D-printen wordt steeds belangrijker voor implantattechnologieën

Pas in 2011 werd Formlabs opgericht door drie studenten en is vandaag de dag de grootste fabrikant ter wereld van professionele 3D-printers voor de technologieën stereolithografie (SLA) en selectief lasersintern (SLS). Formlabs ontwikkelt en produceert het volledige spectrum van 3D-printhardware, -software en -materialen voor prototyping en productie. Alleen al in het materiaalonderzoek werken 60 medewerkers, onder andere aan biocompatibele harsen die onmisbaar zijn voor de geneeskunde. In zijn bijdrage tijdens het COMPAMED Innovatieforum toonde Shiden Yohannes, Manager Medical Market Development bij Formlabs, de enorme vooruitgang die de 3D-printtechnologie de afgelopen jaren heeft geboekt, vooral op het gebied van implantattechnologieën. Onderzoeken aan de Universiteit Gent in België tonen bijvoorbeeld het gebruik van leer- en trainingsmodellen bij het plaatsen van stents in halsslagaders (Carotis Artery Stenting, CAS).

Met behulp van 3D-printen kunnen patiëntspecifieke anatomieën worden nagebootst en stents worden ingebracht om de procedures te simuleren. Daarom worden deze modellen zowel gebruikt voor endovasculaire trainingen als voor patiëntvoorlichting. In deze studie werd waarschijnlijk voor het eerst een kosteneffectief, patiëntspecifiek 3D-geprint model gebruikt om het plaatsen van CAS-stents te onderwijzen onder directe visualisatie en zonder fluoroscopie. Daartoe werden CT-angiogrammen met speciale software (“Mimics inPrint”) geconverteerd naar het benodigde STL-formaat. De halsslagaders werden aan beide zijden afgesneden, zodat het hele model op een “Formlabs 2”-printer paste, zonder de binnenste diameter van de bloedvaten uit te sluiten. Dankzij deze studie kon worden aangetoond dat enerzijds de kosteneffectieve productie van zeer complexe modellen in ziekenhuizen mogelijk is en dat anderzijds het printen van patiëntspecifieke 3D-modellen preoperatief kan helpen bij het nauwkeurig selecteren van patiënten, de preoperatieve planning, de patiëntgerichte training en voorlichting.

Nieuwe borstbioprothese met behulp van 3D-printen

Europa behoort tot de regio’s met de hoogste borstkankerrates ter wereld. Binnen de EU krijgt elke elfde vrouw in haar leven deze vorm van kanker. Het verwijderen van de borst (mastectomie) vormt voor de getroffen vrouwen een bijzonder ingrijpende ingreep. Het Europese project MAT(T)ISSE is gebaseerd op de ontwikkeling van een nieuwe bioprothese, een medisch implantaat van klasse 3. Dit moet het menselijk lichaam helpen beschadigde weefselgebieden na curatieve chirurgische ingrepen te herstellen. Zo’n weefselreconstructie wordt mogelijk gemaakt door autologe vetcellen (vetweefsel) te verwijderen en in de vorm van een synthetisch en resorbeerbaar net opnieuw te implanteren op een textielstructuur. Deze structuur wordt gecombineerd met een driedimensionale, bioresorbeerbare en op maat gemaakte schaalstructuur die het te reconstrueren volume markeert. Het implantaat bestaat uit een celgroeiondersteuning (punt) en een 3D-geprint omhulsel van hetzelfde bioresorbeerbare materiaal. Additieve fabricagetechnieken maken het mogelijk om gepersonaliseerde bioprotheses te ontwikkelen op basis van MRI-scans, die zijn afgestemd op de morfologie van de patiënt. De resorbeerbare schaal verdwijnt uiteindelijk, zodat de patiënt dankzij de regeneratie van haar eigen cellen een natuurlijk gevormde borst krijgt. De focus van het MAT(T)ISSE-project ligt op toepassing bij borstimplantaten. De wetenschappers onderzoeken echter ook andere toekomstige toepassingen voor reconstructieve implantaten (therapeutische en cosmetische chirurgie), omdat het in dit project ontwikkelde model mogelijk op andere lichaamsdelen (gezicht, gelaat, enz.) kan worden overgedragen.

Nieuwe communicatiemogelijkheden voor implantaten

Omdat implantaten steeds “slimmer” worden, krijgt communicatie met hen ook steeds meer aandacht. Een nieuwe aanpak in deze richting presenteerde Prof. Niels Benson van de Universiteit Duisburg-Essen tijdens het COMPAMED Innovatieforum. Hij heeft samen met de startup airCode een draadloze communicatie buiten het lichaam (Out-of-Body) gerealiseerd. “Met behulp van onze geavanceerde simulatie- en testfuncties kunnen we optimale communicatiemodules ontwerpen en ontwikkelen voor medische actieve implantaten van de volgende generatie of andere WBAN-toepassingen (Wireless Body Area Network). Dit is zelfs mogelijk voor Bluetooth-in-vivo toepassingen”, legt de onderzoeker uit over het doel van het bedrijf.

Typische implantaten maken geen directe interactie met de patiënt mogelijk. De gebruikelijke communicatie via smartphones is niet compatibel met medische implantaten. Om statusupdates te ontvangen of te communiceren met het implantaat, zijn een arts en speciale apparatuur nodig. De nieuwe oplossing van airCode is gebaseerd op Bluetooth in het ISM-band (2,4 tot 2,48 GHz), waarbij typische veldverliezen door een geïmplanteerde antenne worden verminderd. airCode biedt gepatenteerde antenne-modules in combinatie met datamanagementsoftware voor applicatie-integratie. “We maken communicatie mogelijk, zelfs in de meest veeleisende omgevingen, zoals nabij water of metalen, met een focus op buiten-het-lichaam communicatie voor medische toepassingen. Dit varieert van standaard medische frequenties tot niet-standaardfrequenties zoals Bluetooth en maakt een directe verbinding mogelijk tussen uw in-vivo toepassing en smartphones”, vat expert Benson samen.

Hermetisch dicht, betrouwbaar en duurzaam: glas-metaal afdichtingen

Bij het gebruik van implantaten is in veel gevallen opbouw- en verbindingstechniek noodzakelijk. Vaak zijn hermetisch afgesloten materiaalverbindingen onmisbaar. Al meer dan 80 jaar ontwikkelt de glasfabrikant Schott glas voor hermetische afdichting van glas met metalen. Vandaag beschikt het bedrijf over een uniek portfolio van innovatieve hermetische behuizingcomponenten en hoogwaardig speciale glaspulvers die ook in verschillende implantaten steeds belangrijker worden. De combinatie glas-metaal biedt veel voordelen: de verbinding creëert een veilige, niet-doorlatende afdichting die niet onderhevig is aan veroudering zoals organische afdichtingsmaterialen. Glas-metaal afdichtingen worden bovendien als voorkeursbehuizingstechnologie gebruikt wanneer gevoelige elektronische of elektrochemische componenten betrouwbaar en langdurig moeten worden beschermd.

Alle materialen zetten uit en krimpen bij blootstelling aan verschillende temperaturen. De technologie voor de combinatie van glas en metaal vereist het kiezen van de juiste thermische uitzettingscoëfficiënt (WAK) van het glas en de metalen die worden gebruikt voor externe geleiders en elektrische contactpennen. Schott produceert dergelijke elektrische doorvoeren en behuizingen van biocompatibele materialen voor implanteerbare apparaten die bijzonder betrouwbaar en duurzaam zijn. Daarnaast “maken miniatuurvolglas-behuizingen de volgende generatie actieve medische implantaten en batterijen mogelijk̶, schetste Julia Hütsch, Product Manager Medical Electronics bij Schott, de veelbelovende toekomst van hermetische behuizingen en glas-metaalverbindingen. Dit omvat de flexibele montagevolgorde, inzetmogelijkheden op chip- en waferniveau en de geschiktheid voor coatings en gevoelige componenten. De RF-transparantie maakt draadloze energie- en gegevensoverdracht mogelijk, en de glaskonstruktie verstoort medische beeldvorming niet. Bovendien scoren deze oplossingen met hun biocompatibiliteit, ze vereisen geen toevoegingen of lijmen en zijn uiterst hermetisch. Ze zijn bovendien hartvriendelijk en kunnen worden gebruikt voor pacemakers en neurostimulatoren. Veel pluspunten in de groeiende implantatmarkt!

Brain Interchange Implantatiesysteem – directe informatie-uitwisseling tussen hersenen en computer

Over de verdere ontwikkeling van het Brain Interchange System van CorTec berichtte Dr. Martin Schüttler, CTO en medeoprichter van het bedrijf. “Het systeem is in staat om informatie uit te wisselen tussen biologie en technologie, tussen hersenen en computer. Daarom noemen we het CorTec Brain Interchange. Met ons systeem bieden we de technologische hulpmiddelen die nodig zijn voor de ontwikkeling van nieuwe therapieën en Brain-Computer Interface-toepassingen”, aldus Schüttler. Hersenaandoeningen komen veel voor en zijn daarom niet alleen een bron van lijden, maar ook zeer relevant vanuit kostenperspectief. Hiertoe behoren onder andere angststoornissen, migraine, depressies, dementie, epilepsie, beroertes, Parkinson, multiple sclerose en hersentumoren. De totale behandelingskosten voor al deze ziekten bedragen alleen in Europa ongeveer 480 miljard euro per jaar. Een breed scala aan hersenprestatieproblemen kan mogelijk worden behandeld met het Brain Interchange-systeem, waarbij neuromodulatie-implantaten inmiddels bewezen technologie zijn. De markt voor diepe hersenstimulatie werd voor 2023 geschat op 770 miljoen dollar.

Onlangs heeft de Amerikaanse gezondheidsautoriteit FDA een uitzonderingsvergunning (Investigational Device Exemption) verleend aan de Universiteit van Washington om het Closed-Loop Brain Interchange Implantatiesysteem te gebruiken. In deze klinische studie wordt een nieuwe behandeling voor beroerte-revalidatie onderzocht, waarbij hersencortexstimulatie wordt ingezet om de plasticiteit van de hersenen te verbeteren. Met de goedkeuring van het Brain Interchange-systeem voor gebruik bij mensen is CorTec klaar om klinici en onderzoeksgroepen te ondersteunen met haar geavanceerde implantattechnologie bij het onderzoeken van nieuwe behandelmethoden voor neurologische aandoeningen. Dr. Oliver Baertl, CEO van CorTec, voegt toe: “We zijn zeer verheugd over de feedback van de FDA! Dit was een belangrijke eerste stap voor CorTec om klinisch onderzoek te ondersteunen in het snel groeiende veld van neuromodulatie en Brain-Computer Interfaces. We verwachten veel meer studies met ons systeem. De eerste toepassing bij mensen wordt de volgende mijlpaal voor onze technologie en ons bedrijf.”

Medische polymeren voor slimme neuronale implantaten

De functionaliteit en veiligheid van vele verschillende implantaten heeft een punt bereikt waarop de apparaten decennia in het lichaam kunnen blijven. Het Fraunhofer IZM kan terugkijken op een lange geschiedenis waarin het de invoering van geïmplanteerde apparaten in de medische standaardzorg heeft bevorderd. Daartoe behoren baanbrekende ontwikkelingen zoals chip-scale-packages voor pacemakers, implanteerbare chemotherapie-pompbesturingssystemen, modules voor netvliesimplantaten en draadloze hersen-computerinterfaces die direct verbonden worden met de hersenschors. De expertise van het Fraunhofer IZM reikt van materiaalselectie en miniaturisatietechnieken tot betrouwbaarheidstests en risicobeoordeling op technisch en biologisch niveau. Het IZM werkt samen met toonaangevende bedrijven en onderzoeksinstellingen wereldwijd. Dankzij biocompatibele technologie voor actieve neuronale interfaces kan stimulerende elektronica worden ingebed in zachte en biocompatibele polyurethaan-substraten en met behulp van goud-elektroden de perifere zenuwen worden gestimuleerd. Neuronale implantaten vereisen een verscheidenheid aan componenten om langdurig als gesloten systeem te functioneren. De productie ervan is uitdagend vanwege de flexibele substraten en de hoge betrouwbaarheid- en veiligheidsnormen voor implantaties. De werkgroep Bio-elektronica-technologieën van het IZM ontwikkelt flexibele platformtechnologieën voor de integratie en verbinding van verschillende componenten in zachte polymeren. Flip-chip- en embeddingtechnieken worden gebruikt voor de integratie van vaste componenten zoals dunne schakelingen of ultrasone transducers. De metallische verbindingen tussen weefselgeïntegreerde componenten en elektroden worden vervaardigd door sputteren, galvaniseren en plasma-etsen. Met behulp van nieuwe lithografietechnieken kunnen systemen zeer miniatuur en precies worden ontwikkeld. In haar presentatie op het Innovatieforum presenteerde Prof. Vasiliki Giagka de nieuwste resultaten van een eenjarige versnelde in-vitro- en in-vivo-studie op het gebied van conformele coating van actieve neuronale interfaces. “Daarbij hebben we vooral de rol van siliconen en standaard IC-passiveringslagen als bio-vloeistofbarrières voor individuele chip-implantaten onderzocht”, aldus Giagka.

Implantaten zijn al lange tijd onmisbare “vervangstukken” voor het menselijk lichaam. Hun ontwikkeling boekt grote vorderingen en bestrijkt steeds meer gebieden. Het COMPEMED Innovatieforum heeft dat overtuigend bewezen. Wie verder wil kijken dan het hele scala aan diensten van de toeleveringssector van de medische technologie, kan zich in 2024 tijdens COMPAMED (11-14 november) in de beurshallen 8a en 8b in Düsseldorf laten verrassen. In vijf belevingswerelden presenteren de deelnemende bedrijven zich met een overvloed aan hightech- en serviceoplossingen. De vijf belevingswerelden zijn: Manufacturing & Devices (onder andere componenten, onderdelen, productieprocessen), Services & Advice (bijvoorbeeld onderzoek, ontwikkeling, diensten), Materials (onder andere kunststoffen, glas, keramiek, metalen, composieten, lijmen, verpakkingen), Micro Tech (zoals microcomponenten, microfluidica) en IT in Tech (softwareontwikkeling en onderhoud voor medische technologie).