12. COMPAMED Wiosenny Forum poświęcił się innowacyjnym technologiom implantów – ważnemu obszarowi badań w dziedzinie technologii medycznej

Po raz 12. Messe Düsseldorf i stowarzyszenie branżowe IVAM dla Mikrotechnologii zorganizowały wiosenne forum COMPAMED jako przegląd trendów przed targami COMPAMED. Jest to z największą ostatnio liczbą prawie 800 wystawców międzynarodowe wiodące targi dla dostawców technologii medycznej, które odbywają się corocznie w Düsseldorfie, tym razem od 12 do 15 listopada 2018 roku (równolegle do MEDICA). Wiosenne forum z 45 uczestnikami z firm i instytucji z ośmiu różnych państw odbyło się 3 maja w Airport Center Frankfurt pod tytułem „Implanty w technologii medycznej” i obejmowało cztery obszary: „Technologie produkcji implantów”, „Pakowanie implantów”, „Materiały do implantów” oraz „Mikrotechnologia w zastosowaniach medycznych”.

Znaczenie, jakie na rynku globalnym zyskały implanty medyczne, pokazują badania International Trade Administration i BCC Research: analitycy szacują wartość rynku na od 30 do 60 miliardów euro, z czego aktywne implanty stanowią około 15 miliardów euro. „Aktywne” w tym sensie oznacza każdy implant wyposażony w źródło energii, zazwyczaj baterię. Jednak możliwe są także inne metody zasilania, np. indukcja.

Według danych firmy `Market Research Future` ortopedyczne implanty stanowią 31 procent, a następnie implanty sercowe i kręgosłupa. Przewiduje się, że średni roczny wskaźnik wzrostu w tym ważnym segmencie technologii medycznej w latach 2017–2023 wyniesie ponad 7 procent. Najszybciej rosną implanty sercowe, a regionalnie szczególnie w regionie Azji i Pacyfiku. „Czynnikiem napędzającym rynek implantów są obecnie nowe kombinacje technologii i integracja elektroniki, malejący rozmiar komponentów, technologie wysokiej częstotliwości i bezprzewodowe, a także systemy nadzoru, rejestracji i kontroli” — wyjaśnia Dick Molin, menedżer segmentu rynku medycznego w Specialty Coating Systems (SCS).

Aktywne implanty należą do najbardziej zaawansowanych technologicznie i najbardziej ryzykownych wyrobów medycznych, stawiając wysokie wymagania wobec badań naukowych, rozwoju, produkcji i zatwierdzania. Innowacje muszą być opracowywane z myślą o bezpieczeństwie pacjenta, niezawodności przez cały okres użytkowania, zgodności biologicznej i biostabilności, a także kompatybilności z innymi urządzeniami medycznymi. Oprócz tych podstawowych wymagań w przyszłości szczególne znaczenie będą miały miniaturyzacja implantów, ich efektywne i oszczędne energetycznie zasilanie, bezprzewodowa wymiana danych i energii między implantem a jednostką zewnętrzną, a także między komponentami implantu.

Pierwszy sztuczny rozrusznik serca wszczepiono w 1958 roku

Rozwój aktywnych implantów rozpoczął się już w 1958 roku, kiedy to z instytutu Karolinska w Szwecji wszczepiono pierwszy sztuczny rozrusznik serca. Obecnie powszechnie stosuje się różne urządzenia do elektrostymulacji, poprawy słuchu, podawania leków lub jako protezy zębów. Do tego dochodzą ortopedyczne implanty m.in. do odchylania kości, implanty wspomagające pracę serca oraz różne czujniki, które mierzą ciśnienie wewnątrzczaszkowe, wewnątrzgałkowe, pęcherzowe czy poziom glukozy. „Moim zdaniem biostabilność jest właściwie kluczową cechą aktywnych implantów, ponieważ muszą one przetrwać w bardzo trudnym środowisku” — wyjaśnia Thomas Velten, odpowiedzialny za Microsystems Biomedyczne w Fraunhofer IBMT. „Dlatego powinny być odpowiednio zamknięte”. Sprawdzone materiały to metale, szkło i ceramika. Obecnie IBMT pracuje nad nowymi implantami, które będą zasilane i komunikować się za pomocą ultradźwięków. Implanty — powierzchniowo wielkości około 5-centymetrowej monety — mają obudowę z tytanu. W przyszłości cały sieć takich jeszcze mniejszych elementów może synchronizować swoje działanie za pomocą bezprzewodowej komunikacji ultradźwiękowej.

Parylen, grupa obojętnych, hydrofobowych, optycznie przezroczystych, polimerowych materiałów powłokotwórczych, odgrywa kluczową rolę w wielu zaawansowanych implantach i urządzeniach medycznych. Oprócz węglowodoru polip-xylylen (często nazywanego Parylen N) w tym zakresie często stosuje się również Parylen C i HT. Paryleny są nie tylko wodoodporne, ale także chemicznie odporne na media nieorganiczne i organiczne, silne kwasy, zasady, gazy i parę wodną. „Paryleny to jedna z najbardziej zaawansowanych technologii powłokowych, które dzięki swoim doskonałym właściwościom elektrycznym, barierowym i biokompatybilnym są bardzo dobrze przystosowane do kapsułkowania implantów” — podkreśla Aaron Clark z wiodącego na świecie producenta Parylenów, firmy Specialty Coating Systems. Powłoki parylene, które mogą być wykonywane w ultracienkich warstwach, są szczególnie wykorzystywane w technologiach takich jak stenty, neurostymulacja i neuromodulacja, a także technologie infuzji, z naciskiem na zarządzanie cukrzycą, w którym coraz większą rolę odgrywają aktywne implanty.

W przypadku implantów długoterminowych lub gdy element ma być jak najcieńszy, sama powłoka parylenowa nie zapewni wystarczającej bariery. Dlatego firma Comelec SA opracowała technologię mającą na celu pokonanie tego ograniczenia, łącząc parylen z warstwą anorganiczną o wysokiej barierowości, taką jak krzemian lub tlenek aluminium. „Dzięki synergicznemu działaniu naszych wielowarstwowych systemów udało się zmniejszyć przepuszczalność pary wodnej aż 100-krotnie” — wyjaśnia dr Florian Bourgeois, kierownik działu badań i rozwoju w Comelec. W tym celu opracowano nowy proces hybrydowy, łączący chemiczną osadzanie w fazie gazowej (CVD) parylenów z plazmowo wspomaganym osadzaniem w fazie gazowej (PECVD) ceramicznych komponentów w jednej komorze.

Aktywne implanty do spersonalizowanej neuroprotezji

Ważnym obszarem zastosowania aktywnych implantów jest neuroprotezja. W tym zakresie firma CorTec opracowała technologię z pętlą zamkniętą do pomiaru i stymulacji aktywności mózgu na długi czas. „Podstawą naszych działań jest przekonanie, że tego typu terapie muszą być spersonalizowane” — mówi dr Martin Schüttler, założyciel i dyrektor firmy CorTec. Koncepcja Brain Interchange opiera się na trzech elementach: elektrodach do odczytu i stymulacji układu nerwowego, jednostce telemetrii do komunikacji optycznej z implantem oraz jednostce komputerowej, która w czasie rzeczywistym analizuje sygnały mózgowe, aby określić aktualne potrzeby stymulacji pacjenta. Elektrody produkuje sama firma CorTec — składają się z pięciu warstw, które są wytwarzane za pomocą ultrakrótko impulsowych laserów i metod mikroprodukcji. Dzięki temu można je produkować w dowolnych kształtach geometrycznych (również trójwymiarowych lub w designie „cuff”), z wysoką gęstością kontaktów oraz dla różnych zastosowań. CorTec produkuje więc zarówno komponenty, jak i kompletne systemy aktywne.

Pod pojęciem elektrospinów rozumie się wytwarzanie najczęściej bardzo cienkich włókien z roztworów polimerowych poprzez obróbkę w polu elektrycznym. Metodę tę stosuje firma Statice, aby tworzyć nowe możliwości projektowania i produkcji zaawansowanych elementów medycznych. Warunkiem jest kontrolowane środowisko pod względem temperatury, wilgotności i cząstek. Używając różnych dysz, można uzyskać różne rozwiązania: rury o skomplikowanych kształtach, szczególnie cienkie rurki lub powierzchnie w formie plastrów. Znajdują one zastosowanie w powłokach implantów metalicznych, filtracji, podawaniu leków oraz regeneracji skóry. W przypadku dostarczania leków można na przykład załadować substancje aktywne do włókien i kontrolować ich uwalnianie. „Dostosowane cechy, takie jak średnica włókien i ich porowatość, umożliwiają kolonizację komórkową” — wyjaśnia Benoit Studlé, dyrektor generalny Statice. Trwają już prace nad studium wykonalności dotyczącym wprowadzenia do włókien substancji przeciwbakteryjnych do zastosowań stomatologicznych.

Rozkładalne materiały do samorozpuszczalnych implantów

W przypadku wielu implantów chodzi o jak najdłuższą trwałość, ale w niektórych przypadkach ważne jest, aby nie pozostawały one na stałe w ciele. W instytucie Fraunhofer IFAM w Dreźnie opracowano rozkładalny implant magnezowy z strukturą włóknistą jako rozwiązanie dla leczenia większych defektów kostnych. Struktura ta służy kości jako przewodząca podczas wzrostu, który jest szczególnie stymulowany korzystnymi właściwościami biomechanicznymi implantu. Jednocześnie umożliwia wnikanie naczyń krwionośnych. W trakcie procesu gojenia się implant rozkłada. Dotychczas większe uszkodzenia kości leczono głównie za pomocą własnych kości pacjentów, ale jest to ograniczone dostępnością. Pobranie kości — zwykle z kości miednicy — wiąże się z dodatkowymi ryzykami. Alternatywą jest syntetyczny zamiennik kości, który jednak często jest mało wytrzymały mechanicznie i może powodować trwałe zakłócenia w obrazowaniu. Idealnym rozwiązaniem są rozkładalne materiały, czyli takie implanty, które po wygojeniu znikają — jak innowacyjny magnezowy implant Fraunhofer IFAM Dresden. Podstawą technologii jest produkcja krótkich włókien magnezowych poprzez ekstrakcję z roztopionej metali. Włókna są równomiernie układane, a następnie łączone i zagęszczane przez podgrzewanie. Tak wyprodukowane implanty charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi i doskonałymi właściwościami korozyjnymi, które spełniają szczególne wymagania fizjologiczne. W badaniach na modelach zwierzęcych po 12 tygodniach zaobserwowano początkowo powolną korozję, a po 24 tygodniach większość metalicznych implantów zniknęła. „Naszymi głównymi zastosowaniami komercyjnymi są osteosynteza i stenty kardiologiczne” — podkreśla dr Peter Quadbeck, kierownik zespołu zaawansowanych materiałów w Fraunhofer IFAM. Właściwości tych produktów przekonały także firmy, więc Botiss Biomaterials GmbH, jako licencjobiorca, planuje wdrożenie tego materiału w chirurgii jamy ustnej i obecnie ocenia możliwości uruchomienia odpowiedniej linii produkcyjnej.

„Swordkateter” dla łatwiejszej punkcji naczyń krwionośnych

Punkcja naczyń krwionośnych to codzienna czynność w medycynie. Jest też pierwszym krokiem do wprowadzenia cewników do takich naczyń, które służą m.in. do podawania leków i infuzji — nieodzowna w nagłych wypadkach, gdy konieczna jest transfuzja krwi. Zazwyczaj przy stosowaniu systemów punkcyjnych do otwierania większych naczyń krwionośnych używa się techniki Seldinger, opublikowanej już w 1953 roku. Technika ta jest czasochłonna, wymaga dużo miejsca i materiałów, a także zwykle potrzebuje asystenta. Proces obejmuje wiele kroków i trwa do około 30 minut. Wobec tego firma Ebnet Medical przedstawiła nową, godną uwagi innowację: pod nazwą `SWORDCATH` opracowano system punkcyjny, który zawiera wszystkie niezbędne elementy i jest wygodny w użyciu. „Nasz system korzysta z nowej, intuicyjnej techniki punkcji i łączy małą igłę punkcyjną z większym cewnikiem” — mówi dr Jens Ebnet, założyciel i dyrektor firmy o tej samej nazwie. Nowe rozwiązanie, które jest już patentowane w wielu krajach, ma nie tylko znacznie skrócić czas procedury, ale także wyeliminować konieczność obecności asystenta. „Rozwijając `SWORDCATH`, adresujemy bardzo szeroki rynek, ponieważ tylko w skali światowej wykonywanych jest miliony cewnikowań naczyń krwionośnych każdego roku” — dodaje Ebnet, który obecnie poszukuje partnerów do testów klinicznych, które będą kolejnym krokiem.

Nowe materiały, innowacyjne metody i połączenie elektroniki z mikrosystemami to nie tylko cechy nowoczesnych implantów, ale także podstawowe tematy przewodnie targów COMPAMED. Targi COMPAMED 2018 (w ścisłej równoległości z największymi na świecie targami medycznymi MEDICA) w dniach od 12 do 15 listopada w Düsseldorfie nie tylko przedstawią najnowsze osiągnięcia w tej dziedzinie, ale także zaprezentują wiele innych obszarów badawczych, takich jak cyfryzacja i miniaturyzacja w technologii medycznej.