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Die Gesundheitsversorgung einer wachsenden – und alternden – Bevölkerung erfordert kluge, effektive, bezahlbare Lösungen. Zum Beispiel in Form von kleinen, implantierbaren Vorrichtungen, die auf diverse Erkrankungen automatisch und ferngesteuert reagieren können.
Die gute Nachricht: Solche Vorrichtungen gibt es bereits, wie etwa zur kontinuierlichen Blutzuckermessung bei Diabetes. Erhebliche wissenschaftliche Fortschritte gibt es inzwischen auch bei anderen biomedizinischen Implantaten, die im Körper den Herzschlag messen oder auch Medikamente direkt ins Blut abgeben können.
Die schlechte Nachricht: Das Potenzial dieser Innovationen wird durch den Mangel an sicheren, biokompatiblen Werkstoffen ausgebremst. „Es sind zwar zahlreiche miniaturisierte Medizingeräte in Entwicklung. Diese enthalten aber oft Verbindungen auf Bleibasis, die für den Menschen unverträglich und daher schädlich sind“, so Nini Pryds, Professor an der Technischen Universität Dänemark.
Mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts BioWings leitet Pryds ein Vorhaben zur Entwicklung von intelligenten, sicheren, biokompatiblen Werkstoffen für die nächste Generation von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), die elektronische und bewegliche Teile kombinieren.
„Die Zukunft der Medizin liegt in der Miniaturisierung. Unsere Werkstoffe stoßen die Tür zur Entwicklung ungiftiger Minigeräte auf, die ohne Bedenken im menschlichen Körper implantiert werden können“, ergänzt Pryds.
Ein Paradigmenwechsel in der Anwendung neuer Werkstoffe
Projektziel war die Entwicklung biokompatibler Werkstoffe mit ähnlichen Eigenschaften wie bei piezoelektrischen Werkstoffen, dem heutigen MEMS-„Goldstandard“ – jedoch ohne Blei oder sonstige Schadstoffe.
Die Forschenden konzentrierten sich hierfür auf Cer-basierte Oxidmaterialien, die ungiftig und umweltfreundlich sind und in niederenergetischen Vorrichtungen funktionieren – drei wichtige Vorteile für einen Einsatz in implantierbaren Medizinprodukten.
„Die Integration von Ceroxid in einem elektromechanischen biomedizinischen System wäre eine medizinische Revolution, die einen Paradigmenwechsel in der Anwendung neuer Werkstoffe und eine neue Ära der medizinischen Innovation einläuten würde“, erklärt Pryds.
Neue Werkstoffe und Vorrichtungen
Das Projekt BioWings geht die ersten Schritte an: die Entschlüsselung der Eigenschaften und Verhaltensweisen von Cer-basierten Oxidmaterialien und die Frage, wie sie zu handhaben sind, um verschiedene MEMS-Anwendungen zu ermöglichen.
„Wir erzielten mehrere Durchbrüche, die sich unmittelbar auf die industrielle Entwicklung von Cer-basierten Oxidmaterialien für Biomedizinprodukte auswirken werden“, bemerkt Pryds.
Dazu zählen eine Folientechnologie, die mit den besten Dünnschichtfolien auf Bleibasis vergleichbar ist, und eine Dünnschichtvorrichtung, die die Anzahl roter Blutkörperchen bestimmt. Überdies demonstrierte das Team die Überlegenheit diverser Oxidmaterialien auf Cer-Basis.
Das Projekt führte zu zwei Patenten und Ergebnissen, die auf mehreren internationalen Konferenzen und in diversen Publikationen vorgestellt wurden. Es gingen außerdem die zwei Ausgründungsprojekte Prisma und AcouSome daraus hervor, die diese Werkstofflösungen für die nächste Generation ungiftiger Minigeräte weiterentwickeln werden.