Implantate der nächsten Generation könnten mit der Dual-Energy-Harvesting-Technologie betrieben werden

Implantierbare biomedizinische Geräte –; wie Herzschrittmacher, Insulinpumpen und Neurostimulatoren –; werden immer kleiner und nutzen drahtlose Technologie, es bestehen jedoch weiterhin Hürden für die Stromversorgung der Implantate der nächsten Generation. Ein neues kabelloses Ladegerät, das von Wissenschaftlern der Penn State University entwickelt wurde, könnte die Stromversorgungsfähigkeit von Implantaten erheblich verbessern und gleichzeitig sicher für unseren Körper sein, sagten die Forscher.

Das neue Gerät kann gleichzeitig Energie aus Magnetfeld- und Ultraschallquellen gewinnen und diese Energie in Elektrizität umwandeln, um Implantate anzutreiben, berichteten die Wissenschaftler in der Zeitschrift Energie- und Umweltwissenschaften. Es sei das erste Gerät, das diese dualen Energiequellen gleichzeitig mit hoher Effizienz nutzt und innerhalb der Sicherheitsgrenzen für menschliches Gewebe arbeite, sagte das Team.

Unser Gerät könnte biomedizinische Anwendungen der nächsten Generation eröffnen, da es eine um 300 % höhere Leistung erzeugen kann als die aktuellen Geräte auf dem neuesten Stand der Technik. Durch die Kombination zweier Energiequellen in einem einzigen Generator kann die aus einem bestimmten Volumen des Geräts erzeugte Leistung erheblich verbessert werden, was viele Anwendungen ermöglichen kann, die zuvor nicht möglich waren.“

Bed Poudel, Forschungsprofessor am Department of Materials Science and Engineering der Penn State und Mitautor der Studie

Mithilfe dieser Technologie könnten batterielose bioelektronische Geräte auf millimetergroße Abmessungen miniaturisiert werden, wodurch sie leicht implantiert werden könnten und verteilte Netzwerke von Sensoren und Aktoren die Messung und Manipulation physiologischer Aktivitäten im gesamten Körper ermöglichen würden. Dies würde den Wissenschaftlern zufolge präzise und adaptive bioelektronische Therapien mit minimalen Risiken oder Beeinträchtigungen der täglichen Aktivitäten ermöglichen.

Herkömmlichere Implantate wie Herzschrittmacher werden normalerweise mit Batterien betrieben und über Kabel aufgeladen. Die Lebensdauer von Batterien ist jedoch begrenzt und ihr Austausch kann durch einen chirurgischen Eingriff erforderlich werden, was das Risiko einer Infektion oder anderer medizinischer Komplikationen birgt.

Das drahtlose Aufladen oder direkte Antreiben von Implantaten könnte deren Lebensdauer verlängern, sagten die Wissenschaftler. Doch die herkömmliche kabellose Ladetechnologie für Mobiltelefone und Elektrofahrzeuge ist möglicherweise nicht ideal, da die Implantate immer kleiner werden.

„Das Problem besteht darin, dass die Effizienz des kabellosen Ladens viel geringer wird, wenn man diese Implantate weniger invasiv macht, indem man sie immer kleiner macht“, sagte Mehdi Kiani, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik an der Penn State und Mitautor der Studie. „Um dieses Problem zu lösen, muss die Leistung erhöht werden. Das Problem besteht jedoch darin, dass hochfrequente elektromagnetische Wellen schädlich für den Körper sein können.“

Magnetfelder und Ultraschallenergie, die bei niedrigeren Frequenzen arbeiten, sind laut den Forschern attraktive Optionen für die drahtlose Stromversorgung oder Aufladung von Implantaten. Frühere Arbeiten anderer Wissenschaftler konzentrierten sich auf die Entwicklung von Geräten, die eine dieser Energiequellen nutzen können, jedoch nicht gleichzeitig, sagten die Wissenschaftler. Dieser Single-Source-Ansatz liefert jedoch möglicherweise nicht genügend Strom, um kleinere zukünftige medizinische Implantate aufzuladen.

„Jetzt können wir zwei Modalitäten in einem einzigen Empfänger kombinieren“, sagte Sumanta Kumar Karan, Postdoktorandin am Department of Materials Science and Engineering der Penn State und Hauptautorin der Arbeit. „Das kann jede der einzelnen Modalitäten übertreffen, weil wir jetzt über zwei Energiequellen verfügen. Wir können die Leistung um den Faktor vier steigern, was wirklich bedeutsam ist.“

Die Geräte nutzen einen zweistufigen Prozess zur Umwandlung von Magnetfeldenergie in Elektrizität. Eine Schicht ist magnetostriktiv, was ein Magnetfeld in Spannung umwandelt, und die andere ist piezoelektrisch, was Spannung oder Vibrationen in ein elektrisches Feld umwandelt. Durch die Kombination kann das Gerät ein Magnetfeld in elektrischen Strom umwandeln.

Und die piezoelektrische Schicht kann auch gleichzeitig Ultraschallenergie in elektrischen Strom umwandeln, sagten die Forscher.

„Wir haben diese Energiequellen auf derselben Fläche kombiniert und können ausreichend Strom erzeugen, um die Aufgaben zu erfüllen, die von Implantaten der nächsten Generation verlangt werden“, sagte Poudel. „Und wir können dies tun, ohne Gewebe zu beschädigen.“

Technologie hat auch Auswirkungen auf die Stromversorgung von Dingen wie drahtlosen Sensornetzwerken in intelligenten Gebäuden. Diese Netzwerke überwachen beispielsweise Energie- und Betriebsmuster und nutzen diese Informationen zur Fernanpassung von Steuerungssystemen, sagten die Wissenschaftler.

Weitere beitragende Forscher der Penn State waren Andrew Patterson, Professor am Department of Veterinary and Biomedical Sciences; Anitha Vijay, Forschungstechnologin; und Sujay Hosur, Doktorandin. Kai Wang und Rammohan Sriramdas, ehemalige Assistenzprofessoren für Forschung an der Penn State, und Shashank Priya, Vizepräsident für Forschung an der University of Minnesota und ehemaliger Professor an der Penn State, trugen ebenfalls dazu bei.

Die National Science Foundation unterstützte diese Arbeit. Einige der Forscher dieser Studie erhielten Unterstützung vom DARPA MATRIX-Programm und dem Army RIF-Programm.