12. COMPAMED Frühjahrsforum widmete sich innovativen Implantat-Technologien – ein wichtiges Forschungsfeld in der Medizintechnik

Bereits zum 12. Mal veranstalteten die Messe Düsseldorf und der IVAM Fachverband für Mikrotechnik das COMPAMED Frühjahrsforum als Trendvorschau auf die COMPAMED. Sie ist mit zuletzt fast 800 Ausstellern die international führende Fachmesse für die Zulieferer der Medizintechnik und findet jährlich in Düsseldorf statt, dieses Jahr vom 12. bis 15. November 2018 (parallel zur MEDICA). Das Frühjahrsforum mit 45 Teilnehmern aus Unternehmen und Institutionen acht verschiedener Nationen stand am 3. Mai im Airport Center Frankfurt unter dem Titel „Implantate in der Medizintechnik“ und betrachtete dieses Thema in den vier Bereichen „Technologien für die Herstellung von Implantaten“, „Verpackung von Implantaten“, „Materialien für Implantate“ sowie „Mikrotechnologie in medizinischen Anwendungen“.

Welche Bedeutung der globale Markt für medizinische Implantate gewonnen hat, zeigen Erhebungen der International Trade Administration und BCC Research: Die Marktforscher schätzen das Volumen auf 30 bis 60 Milliarden Euro, wovon aktive Implantate etwa einen Anteil von 15 Milliarden Euro aufweisen. "Aktiv“ in diesem Sinne bezeichnet jedes Implantat, das mit einer Energiequelle ausgestattet ist, wobei es sich in der Regel um eine Batterie handelt. Jedoch sind auch andere Arten der Energieversorgung wie z.B. Induktion möglich.

Nach Angaben von `Market Research Future´ sind orthopädische Implantate mit 31 Prozent der wichtigste Bereich, gefolgt von Herz- und Spinalimplantaten. Die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate in diesem wichtigen Segment der Medizintechnik wird zwischen 2017 und 2023 auf gut sieben Prozent prognostiziert. Am schnellsten ist das Wachstum bei Herzimplantaten und – regional gesehen – im Raum Asien Pazifik. „Markttreiber bei Implantaten sind derzeit die neue Kombination von Technologien und die Integration von Elektronik, eine abnehmende Bauteilgröße, Hochfrequenz- und drahtlose Technologien sowie Überwachungs-, Erfassungs- und Kontrollsysteme“, erklärt Dick Molin, Medical Market Segment Manager bei Specialty Coating Systems (SCS).

Aktive Implantate gehören zu den technisch aufwändigsten und risikoreichsten Medizinprodukten und stellen besonders hohe Anforderungen an angewandte Forschung, Entwicklung, Produktion und Zulassung. Innovationen müssen immer im Hinblick auf Patientensicherheit, Zuverlässigkeit über die gesamte Lebensdauer, biologische Verträglichkeit und Biostabilität sowie auf Kompatibilität mit anderen medizintechnischen Geräten entwickelt werden. Neben diesen grundlegenden Anforderungen kommen in Zukunft der Miniaturisierung von Implantaten, deren effiziente und raumsparende Energieversorgung, dem drahtlosen Austausch von Daten und Energie zwischen Implantat und extrakorporaler Einheit, aber auch zwischen Implantatkomponenten besondere Bedeutung zu. 

Erster Herzschrittmacher wurde 1958 eingesetzt

Begonnen hat die Entwicklung der aktiven Implantate bereits 1958, als vom schwedischen Karolinska Institute der erste Herzschrittmacher implantiert wurde. Inzwischen sind verschiedenste Geräte zur Elektrostimulation, zur Gehörverbesserung, zur Medikamentenabgabe oder als Zahnersatz gebräuchlich. Dazu kommen orthopädische Implantate u.a. zur Knochenablenkung, Implantate zur Herzunterstützung und verschiedene Sensoren, die intrakraniellen und intraokularen Druck ebenso messen wie den Blasendruck oder die Glukosekonzentration. „Nach meiner Meinung ist Biostabilität das eigentlich kritische Merkmal bei aktiven Implantaten, denn sie müssen in einer sehr rauen Umgebung überleben“, erklärt Thomas Velten, verantwortlich für Biomedical Microsystems am Fraunhofer IBMT. „Deshalb sollten sie in geeigneter Weise eingekapselt sein.“ Bewährte Materialien sind dafür Metalle, Glas und Keramik. Inzwischen arbeitet das IBMT an neuen Implantaten, die ihre Energieversorgung und Kommunikation per Ultraschall bewerkstelligen. Die Implantate – flächenmäßig etwa so groß wie eine 5-Cent-Münze – haben ein Gehäuse aus Titan. Künftig könnte ein ganzes Netzwerk von solchen weiter miniaturisierten Bauteilen ihre Wirkungsweise über drahtlose Kommunikation via Ultraschall synchronisieren.

Parylene, eine Gruppe von inerten, hydrophoben, optisch transparenten, polymeren Beschichtungsmaterialien, spielen eine Schlüsselrolle bei vielen fortschrittlichen medizinischen Implantaten und Geräten. Neben dem Kohlenwasserstoff Poly-p-xylylen (häufig als Parylen N bezeichnet) kommen in diesem Bereich auch Parylen C und HT häufig zum Einsatz. Parylene sind nicht nur wasserabweisend, sondern auch chemisch resistent gegenüber anorganischen und organischen Medien, starken Säuren, Laugen, Gasen und Wasserdampf. „Parylene sind eine der fortschrittlichsten Beschichtungstechnologien, die aufgrund ihrer hervorragenden elektrischen, Barriere- und Biokompatibilitätseigenschaften gerade für die Kapselung von Implantaten sehr gut geeignet ist“, betont Aaron Clark vom weltweit führenden Parylene-Anbieter Specialty Coating Systems. Parylene-Beschichtungen, die ultra-dünn ausgeführt werden können, werden insbesondere in Bereichen wie Stent-Technologien, Neurostimulation und Neuromodulation sowie Infusionstechnologien mit einem Schwerpunkt auf Diabetes-Management verwendet, in dem zunehmend aktive Implantate eine Rolle spielen.

Für Langzeitimplantate oder wenn das Bauteil so dünn wie möglich sein soll, kann Parylen allein die erforderliche Barriereleistung nicht erbringen. Deshalb hat die Comelec SA eine Technologie mit dem Ziel zu entwickeln, diese Beschränkung zu überwinden, indem Parylen mit einer anorganischen Schicht mit hoher Barrierewirkung wie Silizium- oder Aluminiumoxid kombiniert wird. „Dank der synergetischen Wirkung unserer mehrschichtigen Systeme ist es gelungen, die Wasserdampfdurchlässigkeit um den Faktor 100 zu verringern“, erklärt Dr. Florian Bourgeois, Leiter Forschung und Entwicklung der Comelec. Dazu wurde ein neuer Hybridprozess etabliert, der die Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) von Parylen mit der Plasma-unterstützten Gasphasenabscheidung (PECVD) von den keramischen Komponenten in einer Kammer kombiniert.

Aktive Implantate für personalisierte Neuroprothetik

Ein wichtiges Feld zum Einsatz von aktiven Implantaten ist die Neuroprothetik. In diesem Bereich hat die CorTec eine Close-Loop-Technologie zur Messung und Stimulation von Gehirnaktivität für den Langzeit-Einsatz entwickelt. „Grundlage unserer Aktivitäten ist die Erkenntnis, dass derartige Therapien personalisiert werden müssen“, sagt Dr. Martin Schüttler, Gründer und Geschäftsführer von CorTec. Das Brain Interchange-Konzept basiert auf drei Komponenten: Elektroden zur Ableitung und Stimulation des Nervensystems, der Telemetrie-Einheit zur optischen Kommunikation mit dem Implantat sowie der Computer-Einheit, die die Hirnsignale in Echtzeit auswertet, um den aktuellen Stimulationsbedarf des Patienten zu ermitteln. Die Elektroden stellt CorTec selbst her – sie bestehen aus fünf Schichten, die mit ultrakurz gepulsten Lasern und Methoden der Mikrofabrikation gefertigt werden. Dadurch lassen sie sich in jeder geometrischen Form (auch dreidimensional oder im Cuff-Design), mit hoher Kontaktdichte sowie für vielfältige Anwendungen produzieren. CorTec stellt also sowohl Komponenten als auch komplette aktive Systeme her.

Unter Elektrospinnen versteht man die Herstellung von meist sehr dünnen Fasern aus Polymerlösungen durch die Behandlung in einem elektrischen Feld. Diese Methode wendet das Unternehmen Statice auch an, um neue Designmöglichkeiten für die Entwicklung und Herstellung von fortschrittlichen medizinischen Bauteilen zu schaffen. Voraussetzung dafür sind kontrollierte Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Feuchtigkeit und Partikel. Durch Verwendung verschiedener Düsen lassen sich unterschiedliche Lösungen erreichen: Röhren mit komplexer Form, besonders dünne Röhren oder pflasterartige Flächen. Anwendung finden sie bei der Beschichtung von metallischen Implantaten, der Filtration, der Medikamentenverabreichung sowie der Hautregeneration. Beim Drug Delivery ist z.B. denkbar, die Wirkstoffe in die Fasern zu laden und kontrolliert freizugeben. „Maßgeschneiderte Merkmale wie Durchmesser der Fasern und ihre Porosität ermöglichen die Zellbesiedlung“, erläutert Benoit Studlé, CEO von Statice. Eine Machbarkeitsstudie zum Einschluss eines antibakteriellen Wirkstoffs in Fasern für eine Anwendung im Dentalbereich ist bereits in Arbeit.  

Degradierbare Werkstoffe für Selbstauflösung des Implantats

Bei vielen Implantaten geht es um eine möglichst lange Lebensdauer, bei manchen aber auch darum, dass sie nicht dauerhaft im Körper verbleiben. Am Fraunhofer IFAM in Dresden wurde als Lösung für die Behandlung größerer Knochendefekte ein degradierbares Magnesiumimplantat mit einer Faserstruktur entwickelt. Diese dient dem Knochen als Leitstruktur während des Wachstums, das durch die günstigen biomechanischen Eigenschaften des Implantats besonders stimuliert wird. Gleichzeitig ermöglicht die Struktur das Einwachsen der Blutgefäße. Parallel mit dem Heilungsprozess baut sich das Implantat ab. Bisher wurden größere Knochenschäden hauptsächlich durch patienteneigene Knochen implantologisch versorgt. Allerdings steht dieser natürlich nur begrenzt zur Verfügung. Außerdem birgt die Entnahme - zumeist aus dem Beckenkamm - zusätzliche Risiken für den Patienten. Eine Alternative stellt synthetischer Knochenersatz dar, der aber mechanisch oft nur wenig belastbar sowie durch dauerhafte Störungen der Bildgebung ungünstig ist. Als ideale Lösung gelten daher degradierbare Werkstoffe, also solche Implantate, die nach erfolgter Heilung verschwinden - so wie das innovative Magnesiumimplantat des Fraunhofer IFAM Dresden. Ausgangspunkt der technologischen Entwicklung ist die Fertigung von Magnesium-Kurzfasern durch Extraktion aus der Schmelze. Die Fasern werden dann gleichmäßig abgelegt sowie durch Erwärmung miteinander verbunden und verdichtet. Die so hergestellten Implantate besitzen sehr gute mechanische Eigenschaften und vor allem ausgezeichnete Korrosionseigenschaften, die den physiologischen Anforderungen besonders gerecht werden. Im Tiermodell konnte damit nach 12 Wochen eine zunächst langsame Korrosion festgestellt werden, nach 24 Wochen war der Großteil der metallischen Implantate dann verschwunden. „Unsere wichtigsten kommerziellen Anwendungen sind die Osteosynthese und kardiovaskuläre Stents“, betont Dr. Peter Quadbeck, Teamleiter Advanced Materials am Fraunhofer IFAM. Die Eigenschaften der Produkte haben auch Unternehmen überzeugt. So plant die Botiss Biomaterials GmbH als Lizenznehmer die Umsetzung des Werkstoffs in der Oral-Chirurgie und evaluiert derzeit den Aufbau einer geeigneten Fertigungskette.

„Schwertkatheter“ für einfachere Punktion von Blutgefäßen

Die Punktion von Blutgefäßen ist mannigfacher Alltag in der Medizin. So ist sie auch der erste Schritt, um Katheter in derartige Gefäße einzubringen, die Patienten u.a. mit Medikamenten und Infusionen versorgen – unverzichtbar zudem bei allen Notfällen, bei denen Bluttransfusionen gebraucht werden. In der Regel wird bei der Anwendung von Punktionssystemen zur Öffnung von größeren Blutgefäßen die so genannte Seldinger-Technik verwendet, die bereits 1953 veröffentlicht wurde. Diese Technik ist zeit-, platz- und materialaufwändig, zudem benötigt der ausführende Arzt im Normalfall einen Assistenten. Die Seldinger-Technik beinhaltet viele Einzelschritte, die Prozedur dauert bis zu ca. 30 Minuten. Vor diesem Hintergrund hat die Ebnet Medical eine bemerkenswerte Neuentwicklung vorgestellt: Unter der Bezeichnung `SWORDCATH´ wurde ein Punktionssystem geschaffen, das bereits alle notwendigen Komponenten enthält und anwendungsfreundlich verpackt ist. „Unser System nutzt eine neue intuitiv erlernbare Punktionstechnik und kombiniert eine kleine Punktionsnadel mit einem größeren Katheter“, berichtet Dr. Jens Ebnet, Gründer und Geschäftsführer der gleichnamigen Firma. Die neue Lösung, die inzwischen in vielen Ländern zum Patent angemeldet ist, soll neben einem erheblichen Zeitgewinn die bisher notwendige Assistenzperson einsparen. „Mit der Entwicklung des `SWORDCATH´ adressieren wir einen sehr breiten Markt, denn allein die Anlage von Kathetern in Blutgefäße wird weltweit millionenfach jedes Jahr durchgeführt“, so Ebnet, der im Moment Partner für die klinischen Tests sucht, die als nächster Schritt erfolgen müssen. 

Neue Materialien, innovative Verfahren und der kombinierte Einsatz von Elektronik und Mikrosystemtechnik sind nicht nur typisch für moderne Implantate, sondern grundsätzliche Leitthemen der COMPAMED. Die COMPAMED 2018 wird (in fester Parallelität zur weltgrößten Medizinmesse MEDICA) vom 12. – 15. November in Düsseldorf nicht nur die neuesten Entwicklungen in diesem Feld aufgreifen, sondern auch viele weitere Forschungsgebiete wie die Digitalisierung und Miniaturisierung in der Medizintechnik präsentieren.