Medizin 4.0

Organische Elektronik in der Medizin – ein Trendbericht

| Redakteur: Peter Reinhardt

Das Leuchtobjekt „Flying Future 0I“ von Ingo Maurer nutzt organische Leuchtdioden.
Das Leuchtobjekt „Flying Future 0I“ von Ingo Maurer nutzt organische Leuchtdioden. (Bild: Ingo Maurer / Novaled AG)

1967 als Zufallsprodukt entstanden, revolutioniert organische Elektronik heute die Medizin. Längst ist sie zuhauf in Herzschrittmachern und anderen Medizingeräten im Einsatz. Doch die Anwendungsmöglichkeiten sind bei weitem noch nicht ausgeschöpft.

  • Nervensignale von der Hirnoberfläche statt aus der Tiefe empfangen und senden
  • Leitende Polymerfolie wirkt wie ein Verstärker der biologischen Kommunikation
  • Patienten mit absterbenden Lichtsinneszellen (Retinitis Pigmentosa) profitieren von organischer Elektronik

600.000 implantierte Herzschrittmacher pro Jahr, über 300.000 eingesetzte Cochlea-Implantate weltweit, mehr als 130.000 Rückenmarkstimulatoren und 70.000 tiefe Hirn- und Vagusnerv-Stimulatoren zeugen von der erfolgreichen Interaktion zwischen Mensch und Maschine. Auch Prothesen wandeln sich in den vergangenen Jahren immer mehr von einfachen, zuweilen groben Hilfsmitteln zu exakt steuerbaren und sogar fühlenden Präzisionsinstrumenten. Jüngste Beispiele sind „fühlende“ Hand- oder Beinprothesen. Sie sollen es in Zukunft ermöglichen, dass der Träger durch ein Feedbacksystem ertastet, ob er eine Mandarine oder eine Metallkugel in Händen hält, ob er über Asphalt oder Schotter läuft. Möglich wird all dies durch kleinste Elektroden und intelligente Elektronik, die zum Beispiel von der Arbeitsgruppe um Prof. Thomas Stieglitz von der Universität Freiburg entwickelt werden.

Die Lebensdauer verlängern

Noch basiert die hier zugrunde liegende Technik der Transistoren und Leiterbahnen auf Silizium und Metall. Polymere werden bislang meist nur als Isolations-, Verkapselungs- oder Trägermaterial eingesetzt. Besonders als Träger- und Schutzmaterial kommt Polymeren aber eine immer wichtigere Rolle zu. Die ultradünnen Metallkontakte und Leiterbahnen würden ohne die schützende Schicht durch die feuchte und salzhaltige Umgebung im Körper innerhalb von Sekunden korrodieren. Oftmals werden die bisher verfügbaren Implantate aber trotzdem nach einem gewissen Zeitraum vom Immunsystem erkannt und entweder eingekapselt oder abgestoßen. In beiden Fällen verlieren sie ihre Funktion.

Ergänzendes zum Thema
 
Leitende Kunststoffe: zunächst nur ein Zufallsprodukt
1967 versuchte ein Student im Labor von Hideki Shirakawa am Institut für Technologie in Tokio, Polyacetylen herzustellen. Jedoch erzeugte er einen silbrig glänzenden Film, der wie Aluminiumfolie aussah, sich aber wie eine Plastikfolie strecken lies. Der junge Forscher hatte tausendmal mehr Katalysatorsubstanz zugesetzt als geplant.

Ein Forscherteam der Universität Freiburg macht sich nun sowohl die verwobene Netzstruktur als auch die Leitfähigkeit bestimmter Polymere zu Nutze. Die Idee: Medikamente, die im dreidimensionalen Netzwerk des Polymers eingelagert sind, können durch das Anlegen einer negativen Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt gezielt dosiert und in das umliegende Gewebe abgegeben werden.

Auf dieser Basis entwickelten die Wissenschaftler eine bidirektionale Mikrosonde, die Hirnströme aufnimmt und auch elektrische Signale an die Nervenzellen abgeben kann. Diese Sonde umgaben sie mit der neuartigen Beschichtung, welche mit einem entzündungshemmenden Medikament bestückt war. Das vorläufige Ergebnis ist vielversprechend: Die Sonde lieferte über zwölf Wochen die volle Signalstärke und Entzündungsreaktionen blieben komplett aus.

Neue Wege in der Medizintechnik

Metallbasierte Sonden haben allerdings einen entscheidenden Nachteil: Sie sind nicht besonders flexibel. Somit verursachen sie nicht nur während der Implantation Schäden im umliegenden Gewebe, sondern durch fortlaufende Makro- und Mikrobewegungen entstehen immer wieder Vernarbungen. Dieses Narbengewebe vermindert einerseits die Funktionsweise der Sonde und schädigt andererseits auch Nervenstränge, die mit Entzündungen oder sogar mit neurologischen Ausfällen reagieren. Elektronische Implantate, wie das Cochlea-Implantat für Taube, das Retina-Implantat für Blinde oder auch Tiefe Hirnsonden für Parkinson- oder Schmerzpatienten, verbleiben jedoch jahrzehntelang im Körper und sollen hier einwandfrei ihren Dienst tun. Gleiches gilt für Prothesen, die durch Implantate gesteuert werden. Alle Teile müssen mit dem Körper harmonieren und über lange Zeit funktionieren.

Hauchdünne, leitende Polymerfolie ermöglicht verträgliche Bauteile

Ein Forscherteam um Prof. George Malliaras von der École des Mines de Saint-Étienne, Frankreich hat daher eine hauchdünne, leitende Polymerfolie entwickelt. Das als Neuro-Grid bezeichnete Vlies schmiegt sich wie eine Frischhaltefolie an unebene Flächen, zum Beispiel auf die stark gefurchte Oberfläche des Gehirns. Zwar enthält diese Folie auch noch leitende Metallkomponenten, jedoch sind diese 200-fach dünner als bei herkömmlichen Sonden. Dass diese Folie trotzdem die gleiche Signalqualität aus dem Gehirn aufnehmen kann, wie herkömmliche Sonden, verdankt sie einer besonderen Eigenschaft der leitenden Polymere. Diese sind nicht nur für elektrischen Strom empfindlich – also für Aktionspotentiale von Nervenzellen –, sondern ebenfalls für elektrisch geladene Ionen. Ionen sind ein wesentliches Kommunikationselement in biologischen Systemen. Die leitende Polymerfolie wirkt also wie ein Verstärker weil sie ein breiteres Feld der biologischen Kommunikation aufnehmen und an die metallbasierten Leiterbahnen weitergeben kann.

Sinneseindrücke an das Gehirn übertragen

Diese Folie soll in Zukunft zum Beispiel dabei helfen, das Gehirnareal zu lokalisieren, welches bei Epilepsiepatienten einen Anfall auslöst. Bei Betroffenen, die durch kein Medikament Linderung erfahren, wird heute mit Hilfe einer temporär implantierten Tiefen Hirnsonde oder mit Streifen- und Folien-Sonden mit vielen Elektroden auf der Hirnoberfläche diese Lokalisation durchgeführt. Im Idealfall kann das Areal operativ entfernt und damit die Epilepsie geheilt werden. Bei zwei Epilepsiepatienten wurde bisher die neue Folie parallel zu den etablierten Tiefe Hirnsonden eingesetzt. Es stellte sich heraus, dass die Folie sehr präzise Nervenpotentiale messen kann und damit eine bessere Lokalisation des betroffenen Areals ermöglicht als dies mit bislang als Medizinprodukt zugelassenen Folien der Fall ist.

Ergänzendes zum Thema
 
Die Hector Fellow Academy

Das Konzept der ultradünnen, anschmiegsamen und leitenden Folie eignet sich nicht nur dafür Signale zu registrieren und weiterzuleiten – also auch zur Steuerung von Prothesen – sondern ebenso für die Übertragung von äußeren Reizen an das Nervensystem. Daher entwerfen Forscher Konzepte für eine Handprothese, die mit einer ähnlich strukturierten sensiblen Folie umhüllt ist. Damit wären vielfältige Sinneseindrücke an das Gehirn übertragbar.

Organische Halbleiter in der Medizin –Status Quo und Ausblick

Expertenstatement von Prof. Karl Leo, IAPP an der TU Dresden

Organische Halbleiter in der Medizin –Status Quo und Ausblick

16.08.17 - In anderen Branchen sind organische Halbleiter heutzutage längst Stand der Technik. Doch auch in der Medizin entwickeln sich aktuell immer mehr Einsatzgebiete. Kein Wunder, bieten organische Halbleiter doch eine Vielzahl von Vorteilen, sodass ihnen auch hier eine glänzende Zukunft bevor steht. lesen

Auch Patienten mit Retinitis Pigmentosa, deren Lichtsinneszellen durch eine Erbkrankheit nach und nach absterben, sollen in Zukunft von neuartiger organischer Elektronik profitieren. Ein Team um Prof. Karl Leo von der Universität Dresden entwickelt gemeinsam mit der Arbeitsgruppe um Prof. Eberhart Zrenner vom Werner Reichardt Centrum für Integrative Neurowissenschaften in Tübingen neue polymerbasierte Bauteile für Retina-Implantate. Dieses Projekt, das von der Hector Fellow Academy gefördert wird, zielt darauf, die Lebensdauer der Implantate deutlich zu verlängern und den Seheindruck zu verbessern.

Erfolgreiche NUB-Entgeltverhandlungen zwischen Krankenkassen und RI-Implantationszentren

Retina Implant

Erfolgreiche NUB-Entgeltverhandlungen zwischen Krankenkassen und RI-Implantationszentren

15.08.17 - Das NUB-Verfahren soll die Einführung von Innovationen im Gesundheitswesen fördern. Gut zu wissen für Hersteller, dass das funktioniert. Dank NUB konnte Retina Implant nun die Kostenerstattung für ein subretinales Netzhautimplantat vereinbaren. lesen

Vernetzung heute und morgen

Insbesondere im Bereich Prothetik schreitet die Vernetzung von Mensch und Maschine zurzeit rasch voran. Cochlea-Implantate für Taube gelten heute schon als Routineeingriff. Erste Erfolge beim Einsatz von Retina-Implantaten lassen auch Blinde hoffen. Erste Tests mit „fühlenden“ Hand- oder Fußprothesen wurden von den Probanden begeistert aufgenommen. Auch Gehirnforscher und Neurologen gehen neue Wege, indem sie schonendere Nervensonden entwickeln. Innovative Materialien, wie leitende und halbleitende Polymere, werden diesen Zweig der Medizin 4.0 in den kommenden Jahren beflügeln. Vor allem aber ist es der intensive interdisziplinäre Austausch zwischen Werkstoff- und Lebenswissenschaftlern, Ingenieuren und Klinikern, der es ermöglicht, Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung zügig in die Praxis umzusetzen. Die Hector Fellow Academy ist hierbei ein Bindeglied, das diesen Austausch auf mehreren Ebenen fördert.

Medizin 4.0 hat viele Gesichter

Fazit: Die Digitalisierung in der Medizin hat viele Gesichter. Dabei ist die Vernetzung von Mensch und Maschine ein Thema, das dank innovativer Werkstoffe und intelligenter Elektronik zurzeit enorme Impulse erlebt. Den Startpunkt für diesen Zweig der Medizin setzte 1958 der erste voll implantierbare Herzschrittmacher. Seither rettet dieses kleine Gerät jedes Jahr hunderttausenden von Menschen das Leben. In Zukunft sollen elektronische, mit dem lebenden Organismus gekoppelte, Implantate, Sonden und Prothesen langlebiger, verlässlicher und bioverträglicher werden. Neue Generationen von Cochlea- und Retina-Implantaten werden einen besseren Hör- und Seheindruck vermitteln, Hirnsonden werden in Zukunft schonend von der Hirnoberfläche statt aus der Tiefe Nervensignale empfangen und senden, Prothesen werden durch Gedanken gesteuert und Tasteindrücke übertragen.

Aber der Begriff Medizin 4.0 steht auch für die ganzheitliche Vernetzung des Gesundheitswesens. Darunter fallen zum Beispiel der effiziente und sichere Austausch von Daten zwischen Hausarzt, Patient und Fachärzten oder dem Krankenhaus. Telemedizin, E-Health und BigData sind hier die Schlagworte, die Medizin 4.0 prägen.

Dieser Artikel basiert auf einem Trendbericht anlässlich des Symposiums „Medizin 4.0 – Organische Elektronik in der modernen Medizin“ der Hector Fellow Academy in Kooperation mit der Technischen Universität Dresden am 6. Juli 2017 in Dresden.

Lesen Sie auch

„Die Kommerzialisierung von gedruckter Elektronik erfasst den Healthcare-Sektor“

Lopec

„Die Kommerzialisierung von gedruckter Elektronik erfasst den Healthcare-Sektor“

06.01.17 - Gedruckte Elektronik hat sich in vielen Branchen zum Innovationstreiber entwickelt. Nach der Unterhaltungselektronik- und Automobilindustrie rücken jetzt der Gesundheitsbereich und die Medizintechnik immer mehr in den Fokus. lesen

Elektronik aus dem Eintopf

TU Wien

Elektronik aus dem Eintopf

03.06.16 - Halbleiter für die Elektronik basieren heute fast ausschließlich auf Silizium. Allerdings ist es auch möglich, bestimmte organische Materialien für elektronische Bauteile zu nutzen. Der Vorteil: Es lassen sich unterschiedliche funktionelle Gruppen an den Molekülen anbringen und damit die elektronischen Eigenschafen verändern. lesen

Weitere Artikel über Elektronikkomponenten finden Sie in unserem Themenkanal Konstruktion.

Kommentare werden geladen....

Diesen Artikel kommentieren
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 44820849 / Konstruktion)