Entwicklung aktiver Implantate: "Es ist ein Potpourri verschiedener Anforderungen"

Aktive Implantate könne gezielt in das System des Körpers eingreifen, ihn überwachen, unterstützen oder gar Teile ersetzen. Beispiele hierfür sind Herzschrittmacher, Neurostimulatoren oder Prothesen. Sie benötigen in der Regel eine mitverbaute Energiequelle oder eine Schnittstelle, um von außen Energie zu erhalten. Wie die Zukunft aktiver Implantate aussehen könnte, darüber sprach COMPAMED.de mit Experten des Fraunhofer Instituts für Biomedizinische Technik (IBMT).

Herr Schneider-Ickert, welche Herausforderung besteht in der Entwicklung von aktiven Implantaten?

Andreas Schneider-Ickert: Das Thema "aktive Implantate" ist sehr komplex und von der Risikoklasse und der Zulassung her sehr hoch angesiedelt. Vieles muss man bereits bei der Entwicklung berücksichtigen. Es geht zum Beispiel um die Temperaturerhöhung bei der Verwendung eines Implantates, es geht um Frequenzen, die man nutzen darf oder nicht, man hat Grenzwerte, die man einhalten muss. Auch wie man die Kapsel für das Implantat gestaltet, muss bedacht werden. Es muss biokompatibel und langzeitstabil sein. Es ist ein Potpourri verschiedener Anforderungen.

Roman Ruff: Die Herausforderung, aber auch der Reiz bei der Entwicklung neuer aktiver Implantate ist, dass man sehr multidisziplinär zusammenarbeitet. Wir als Ingenieure arbeiten zusammen mit IT-Leuten und Medizinern. Denn wenn ich zum Beispiel ein Gehäuse, wie Herr Schneider-Ickert eben erwähnt hat, entwickle, dann muss ich mir auch überlegen, wie ich dieses Gehäuse im Körper befestige. Also die Implantationsmethoden müssen berücksichtigt werden. Auch die Biostabilität und -kompatibilität sind wichtige Fragestellungen. Das Ganze erfolgt obendrein in einem regulatorischen Kontext. Da haben wir bei den Implantaten als Risikoprodukt der höchsten Klasse sehr hohe Innovationshürden.

Schneider-Ickert: Es geht immer um den Systemgedanken. Wenn ich mich entschließe, bei einem Implantat drahtlos per Funk zu kommunizieren, dann muss ich darüber nachdenken, wie ich es verkapseln kann. Denn eine typische Titankapselung ist hierfür vielleicht nicht unbedingt geeignet. Es geht immer darum, die richtige Kombination zu finden und ein System überhaupt zu ermöglichen.

Wie erreichen Sie eine Miniaturisierung eines Implantats? Es gibt doch bestimmt einen Punkt, an dem Sie nicht mehr kleiner werden können, da Sie ja auch bestimmte Bauteile für das Implantat benötigen.

Ruff: Es stellt sich immer zu Beginn der Entwicklungsarbeit die Frage: Wo packe ich die Intelligenz hin? Setze ich die Intelligenz extrakorporal oder nicht? Das heißt, im Körper hätte ich in diesem Fall nur noch ein sehr einfach aufgebautes Implantat mit wenigen diskreten Bauteilen, das vielleicht nur von außen die Energie empfängt, die das Implantat zur Stimulation benötigt. Oder mache ich im Implantat schon so etwas wie eine Signalvorverarbeitung? Die Antworten auf diese Fragen sind entscheidend für den Anfang der Entwicklung. Natürlich gibt es eine Grenze, wie weit ich miniaturisieren kann. Man verfolgt verschiedene Ansätze, zum Beispiel in dem aktuellen BMBF-Innovationscluster INTAKT, an dem wir mit vielen Industriepartnern arbeiten. Da haben wir zum Beispiel eine eigene ASIC-Entwicklung. Das heißt, das Bioverstärker- und Stimulator-Frontend, welches dort eingesetzt wird, ist kein Bauteil von der Stange, sondern es wurde speziell für dieses Projekt designt und gefertigt. Dieser ASIC, wird sogar in die Platine hinein integriert. Das heißt, ich belege mit diesem Bauteil keine Fläche mehr auf einer Leiterplatte. Somit spart man Platz. Das ist eine Maßnahme von vielen, die man ergreifen kann. Auch die geeignete Kapselung ist wichtig. Ebenso spielen die Einsatzdauer des Implantats und seine Dichtheit eine Rolle. Muss ich ein Implantat für 20 Jahre dichthalten oder ist es vielleicht nur temporär im Einsatz? All dies sind entscheidende Punkte, die am Anfang eines Entwicklungsprojektes stehen und den Weg beeinflussen.

Schneider-Ickert: Auch wo die Energieversorgung platziert werden soll, müssen wir uns fragen. Wir versuchen, von implantierten Batterien Abstand zu nehmen und die Energieversorgung nach außen zu verlagern. Denn der Großteil des Implantats besteht oft immer noch daraus. Auslagern geht allerdings nicht bei einem lebenserhaltenden System, wie zum Beispiel einem Herzschrittmacher. Denn durch eine drahtlose Energieübertragung könnten Fehler auftreten. Bei nicht lebenserhaltenden Systemen ist es hingegen eher unkritisch. Damit kann das Implantat dann sehr viel kleiner werden.

Würde das Implantat dann durch eine Induktionsspule geladen?

Schneider-Ickert: Wir haben in den letzten Jahren unterschiedliche Methoden entwickelt, Induktion ist eine. Es funktioniert zum Beispiel auch per Ultraschall. Wenn es um Kommunikation geht, gibt es auch optische Methoden. Ultraschall reicht zum Beispiel relativ weit ins Gewebe, könnte also für tieferliegende Implantate verwendet werden. Für Implantate, die nicht tief implantiert sind, ist Induktion eigentlich noch immer die effektivste Variante. Um auf die Miniaturisierung zurückzukommen: Auch das Design der Elektronik ist so zu gestalten, dass man wenig Bauteile dafür braucht. Wir arbeiten gerade an einem EU-Projekt EXTEND mit, in diesem verpacken wir einen ASIC in einen Silikonschlauch mit Elektroden. Der Außendurchmesser beträgt weniger als einen Millimeter. Das funktioniert aber nur, wenn der ASIC wie im Fall von EXTEND nur 0,3 Millimeter Breite hat.

Sie sprachen gerade schon die Langlebigkeit der Produkte an. Wie lange halten die Implantate in der Regel?

Ruff: Das lässt sich nicht allgemein sagen. Ein Herzschrittmacher liegt bei circa fünf bis zehn Jahren, dann muss vielleicht die Batterie getauscht werden. Ziel ist deshalb, dass der Energieversorger außerhalb sitzt, sodass die Implantate auch mal 20 Jahre oder lebenslang halten.

Testen Sie das als Entwickler bereits oder erfahren Sie es erst, wenn Resultate von Anwendern Sie erreichen?

 Schneider-Ickert: Den Energieverbrauch kann man ganz gut im Labor nachvollziehen, weil man weiß, welche Anforderungen das System hat. Man kann es zum Beispiel beschleunigen und hochrechnen. Wenn man verschiedene Komponenten eines Implantats betrachten muss, ist es nicht immer so einfach zu berechnen.

Um noch mal auf das Thema "Netzwerk" zurückzukommen. Ist es schwierig, ein solches in den Körper einzubringen?

Ruff: Um direkt mal mit dem Vorteil eines Netzwerkes anzufangen, da sie die Biostabilität angesprochen haben: Die Netzwerke haben einen sehr großen Vorteil. Normalerweise, wenn ich an mehreren Punkten im Körper stimulieren möchte, verwende ich ein Zentralimplantat, zu dem die Implantatelektronik hinführt. Und genau diese Kabelverbindungen sind natürlich der wunde Punkt einer solchen Elektronik. Sie können sich vorstellen, wenn es zum Beispiel eine Handprothesensteuerung ist und ich muss die Kabel, die zu einer Ableitung oder zu einer Stimulation im Unterarm führen, über Gelenke bis in den Brustbereich führen: Dann ist es eine Frage der Zeit, dass diese Kabel Schaden nehmen. Wenn ich aber ein Netzwerk von miniaturisierten Implantaten habe mit integrierter Stimulationseinheit, mit Ableiteinheit und einem System, das die Energie empfängt - dann kann ich auf diese Kabelstränge verzichten. Und wenn tatsächlich mal ein Implantat ausfällt, dann ist die Revision dieses Implantats natürlich wesentlich einfacher. Denn eine kleine miniaturisierte Implantatelektronik lässt sich viel leichter austauschen als das eben beschriebene zentrale Implantat. Das sind die Vorteile, die wir uns erhoffen und deswegen forschen wir in diese Richtung.

Aber es gibt immer eine Kehrseite der Medaille. Ich muss nicht nur ein Implantat mit Energie versorgen, sondern ich muss ein ganzes Netzwerk versorgen. Und jedes Implantat hat einen ganz individuellen Bedarf an Energie! Ein Implantat stimuliert vielleicht, das andere ist gerade im Stand-by. Das dritte Implantat liegt dafür drei Muskelschichten tiefer. Also jedes Implantat hat seinen spezifischen Energiebedarf, der zeitlich variiert und diesen muss ich decken. Leider funktioniert es nicht, dass ich beliebig viel Energie in den Körper einpräge. Denn dadurch würde Verlustleistung anfallen. Das Implantat würde sich erwärmen und das ist natürlich ein klarer Verstoß gegen die regulativen Anforderungen. Deshalb muss ich dafür sorgen, dass jedes Implantat wirklich nur die Energie bekommt, die es benötigt. Gleichzeitig muss es so viel Energie erhalten, dass es in seiner Funktion nicht unterbrochen wird. Wir entwickeln hierfür eine spezielle Closed-Loop-Steuerung und das ist die große technologische Herausforderung. Genauso verhält es sich mit der Kommunikation. Ich kommuniziere nicht mehr mit einer Basisstation und einem Implantat, sondern ich kommuniziere im Verbund der Implantate. Diese tauschen untereinander gegebenenfalls auch Informationen aus. Vielleicht erreiche ich mit meiner extrakorporalen Basisstation gar nicht alle Implantate. Das heißt, die Befehle, die von außen nach innen geschickt werden, müssen vielleicht über mehrere Implantate geroutet werden. Man hat hier eine richtige Netzwerkarchitektur und das ist ebenfalls eine Herausforderung.