DE102022129920B3 - Implant system with actively controllable degradation and method for actively controllable degradation of an implant system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf Gebiete der Medizintechnik und Mikroelektronik und betrifft ein Implantatsystem mit aktiv regulierbarer Degradation und ein Verfahren zur aktiv regulierbaren Degradation eines Implantatsystems. Das Implantatsystem kann als resorbierbares Implantat zur Gefäßunterstützung, Knochen-Fixation oder als biomedizinischer Mikroroboter im Körper eines Menschen oder Tieres eingesetzt werden.Es liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Implantat oder Implantatsystem herzustellen, dass nach dem Einsetzen keinen zusätzlichen Eingriff bei Patienten erfordert und eine verbesserte Einflussnahme auf den Degradationsprozess ermöglicht.Gelöst wird die Aufgabe durch ein Implantatsystem mit aktiv regulierbarer Degradation mit einer metallischen Implantatstruktur und ein in der elektrochemischen Spannungsreihe von der Implantatstruktur abweichendes metallisches Bauelement, ein mechanisch verbindendes Kontaktelement und ein auf dem Kontaktelement angeordneter integrierter elektronischer Schaltkreis mit einer Regeleinrichtung, wobei Implantatstruktur und metallisches Bauelement im Körper und mit der Körperflüssigkeit des Patienten eine galvanische Zelle bilden und das Implantatsystem aus biokompatiblen im Wesentlichen vollständig biologisch abbaubaren Materialien besteht.The invention relates to the fields of medical technology and microelectronics and relates to an implant system with actively controllable degradation and a method for actively controllable degradation of an implant system. The implant system can be used as a resorbable implant for vascular support, bone fixation or as a biomedical microrobot in the body of a human or animal. The aim is to produce a cost-effective implant or implant system that does not require any additional intervention in patients after insertion and a Improved influence on the degradation process is possible. The task is solved by an implant system with actively controllable degradation with a metallic implant structure and a metallic component that deviates from the implant structure in the electrochemical voltage series, a mechanically connecting contact element and an integrated electronic circuit arranged on the contact element with a Control device, wherein the implant structure and metallic component form a galvanic cell in the body and with the body fluid of the patient and the implant system consists of biocompatible, essentially completely biodegradable materials.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf die technischen Gebiete der Medizintechnik sowie der Mikroelektronik und betrifft ein Implantatsystem mit aktiv regulierbarer Degradation und ein Verfahren zur aktiv regulierbaren Degradation eines Implantatsystems. Das Implantatsystem kann beispielsweise als resorbierbares Implantat zur Gefäßunterstützung, Knochen-Fixation oder als biomedizinischer Mikroroboter im Körper eines Menschen oder Tieres eingesetzt werden.The invention relates to the technical fields of medical technology and microelectronics and relates to an implant system with actively controllable degradation and a method for actively controllable degradation of an implant system. The implant system can be used, for example, as a resorbable implant for vascular support, bone fixation or as a biomedical microrobot in the body of a human or animal.
Bisher bekannte künstliche Implantate, die zu medizinischen Zwecken in den Körper eines Menschen oder Tieres eingebracht werden, beispielsweise als Gefäßstützen (sogenannte Stents) oder als Stütz- und Fixiermaterial für den Einsatz bei Knochenbrüchen, als Messsonden oder als medizinische Mikroroboter, werden bereits aus biologisch abbaubaren Werkstoffen hergestellt. Dadurch sollen die negativen Auswirkungen einer langfristigen Implantation vermieden werden, ohne einen operativen Folgeeingriff zur Entfernung des Implantates durchführen zu müssen. Die Verweildauer solcher temporärer Implantate im Körper wird durch die Eigenschaften und Verarbeitung der verwendeten Werkstoffe bestimmt und kann üblicherweise nach dem Einsetzen in den Körper nicht mehr beeinflusst werden.Previously known artificial implants that are inserted into the body of a human or animal for medical purposes, for example as vascular supports (so-called stents) or as support and fixation material for use in bone fractures, as measuring probes or as medical microrobots, are already made from biodegradable ones materials manufactured. This is intended to avoid the negative effects of long-term implantation without having to carry out a follow-up surgical procedure to remove the implant. The length of time such temporary implants remain in the body is determined by the properties and processing of the materials used and can usually no longer be influenced after they have been inserted into the body.
Biologisch abbaubare Materialien für den Einsatz als Implantat sind aus dem Stand der Technik bekannt.Biodegradable materials for use as implants are known from the prior art.
Es ist bekannt, dass biologisch abbaubare Legierungen mit guter chemischer, biologischer und mechanischer Kompatibilität für temporäre Implantate eingesetzt werden können. Des Weiteren haben diese Legierungen bekannte Vorteile in medizinischen Anwendungen, in denen ein dauerhaftes Verbleiben im Körper nicht wünschenswert ist (
Bekannt ist der Einsatz elektronischer Implantate in einem breiten Spektrum diagnostischer und therapeutischer Maßnahmen. Beispielsweise umfassen diese die Messung physiologischer Parameter und elektrischer Signale oder die Erzeugung elektrischer Reize (
Ebenfalls bekannt sind elektronisch ausgestattete Implantate, welche aus biologisch abbaubaren Werkstoffen gefertigt werden. Diese sind in der Lage, ihre Funktion im Körper zu erfüllen und sich danach vollständig zu zersetzen (
Es ist bekannt, dass die Korrosionsrate von Metallen durch Methoden reguliert werden kann, die als passiv oder aktiv eingeordnet werden. Im Rahmen einer passiven Methode wird das zu schützende metallische Element mit einem zweiten Material, einer sogenannten Opferanode, verbunden, das gemäß der elektrochemischen Spannungsreihe weniger edel ist.It is known that the corrosion rate of metals can be regulated by methods classified as passive or active. As part of a passive method, the metallic element to be protected is connected to a second material, a so-called sacrificial anode, which is less noble according to the electrochemical voltage series.
Aus der
Ebenfalls bekannt sind Legierungen, deren Korrosion durch die gezielte Einbringung von edleren Metallen im Sinne der elektrochemischen Spannungsreihe beschleunigt wird. Dabei wird die beschleunigte Korrosion auf das Entstehen von galvanischen Paaren und somit von Korrosionselementen zurückgeführt (
Bekannt ist aus der
Zudem ist aus der
Aus der
Und bekannt aus der
Nachteilig bei den bekannten Lösungen ist, dass zumindest Teile der vorgeschlagenen Implantate oder Implantatsysteme aufgrund der fehlenden biologischen Abbaubarkeit wieder aus dem Körper des Patienten explantiert werden müssen, was einen zusätzlichen Eingriff und weitere Belastung für die betreffenden Patienten darstellt. Zudem führt die Notwendigkeit einer internen Energiequelle, z.B. einer Batterie, zu weiteren Problemen. Erstens stellt diese ein zusätzliches Bauteil da, welches zur Größe des Implantates beiträgt und das Wohlbefinden des Patienten dadurch mindern kann. Zudem besteht das Risiko, dass eine vorzeitige Entleerung der Energiequelle die Funktion des Implantatsystems negiert. Dies kann beispielsweise bei einem unerwartet langen Heilungsprozess eintreten.The disadvantage of the known solutions is that at least parts of the proposed implants or implant systems have to be explanted from the patient's body again due to the lack of biodegradability, which represents an additional procedure and further burden for the patients concerned. In addition, the need for an internal energy source, such as a battery, leads to further problems. Firstly, it represents an additional component that contributes to the size of the implant and can therefore reduce the patient's well-being. There is also a risk that premature depletion of the energy source will negate the function of the implant system. This can occur, for example, if the healing process takes an unexpectedly long time.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Implantat oder Implantatsystem zur Verfügung zu stellen, dass nach dem Einsetzen keinen zusätzlichen Eingriff bei Patienten erfordert, kostengünstig und einfach ist und eine verbesserte Einflussnahme auf den Degradationsprozess ermöglicht.The object of the invention is to provide an implant or implant system that does not require any additional intervention on patients after insertion, is inexpensive and simple and enables improved influence on the degradation process.
Die Aufgabe wird mit den technischen Merkmalen des oder der Hauptansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen Unteransprüche im Sinne einer und-Verknüpfung einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.The task is solved with the technical features of the main claim(s). Advantageous refinements are the subject of the subclaims, with the invention also including combinations of the individual subclaims in the sense of an and combination, as long as they are not mutually exclusive.
Gelöst wird die Aufgabe mit einem Implantatsystem mit aktiv regulierbarer Degradation, aufweisend mindestens eine metallische Implantatstruktur und ein in der elektrochemischen Spannungsreihe von der Implantatstruktur abweichendes metallisches Bauelement, mindestens ein die Implantatstruktur und das metallische Element mechanisch verbindendes Kontaktelement, und mindestens ein auf dem Kontaktelement angeordneter integrierter elektronischer Schaltkreis mit mindestens einer Regeleinrichtung, wobei die Implantatstruktur und das metallische Bauelement im Körper eines Patienten und mit der Körperflüssigkeit des Patienten eine galvanische Zelle bildet, und wobei das Implantatsystem aus biokompatiblen und/oder vollständig biologisch abbaubaren Materialien hergestellt sind.The task is solved with an implant system with actively controllable degradation, having at least one metallic implant structure and a metallic component that deviates from the implant structure in the electrochemical voltage series, at least one contact element mechanically connecting the implant structure and the metallic element, and at least one integrated one arranged on the contact element Electronic circuit with at least one control device, wherein the implant structure and the metallic component form a galvanic cell in the body of a patient and with the patient's body fluid, and wherein the implant system is made of biocompatible and / or completely biodegradable materials.
Vorteilhafterweise ist der integrierte elektronische Schaltkreis und/oder die Implantatstruktur eine Empfangseinheit, Sensoreinheit, elektrische Energiespeichereinheit und/oder Sendeeinheit.Advantageously, the integrated electronic circuit and/or the implant structure is a receiving unit, sensor unit, electrical energy storage unit and/or transmitting unit.
Auch vorteilhafterweise ist die elektrische Energiespeichereinheit ein Kondensator, ein Superkondensator und/oder eine Batterie und aus einem vollständig biologisch abbaubaren Material gefertigt.Also advantageously, the electrical energy storage unit is a capacitor, a supercapacitor and/or a battery and is made of a completely biodegradable material.
Vorteilhaft ist, dass der integrierte elektronische Schaltkreis ein Bestandteil der Implantatstruktur ist oder zwischen der Implantatstruktur und dem metallischen Bauelement elektrisch verbunden und angeordnet ist.It is advantageous that the integrated electronic circuit is a component of the implant structure or is electrically connected and arranged between the implant structure and the metallic component.
Vorteilhafterweise ist die Implantatstruktur aus Eisen, Magnesium, Zink, Calcium oder deren Legierungen hergestellt.The implant structure is advantageously made of iron, magnesium, zinc, calcium or their alloys.
Dabei besteht vorteilhafterweise mindestens das metallische Bauelement aus Gold, Palladium und/oder Platin.At least the metallic component advantageously consists of gold, palladium and/or platinum.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn das Material des metallischen Bauelementes mit Platin-Black, Metalloxiden, katalytischen und/oder biokatalytischen Stoffen beschichtet ist.It is also advantageous if the material of the metallic component is coated with platinum black, metal oxides, catalytic and/or biocatalytic substances.
Auch ist es von Vorteil, wenn der elektronische Schaltkreis als drahtlose Energieempfangseinheit und/oder Energieübertragungseinheit nutzbar ist.It is also advantageous if the electronic circuit can be used as a wireless energy receiving unit and/or energy transmission unit.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die drahtlose Energieübertragung und/oder der Energieempfang mittels induktiver Koppelung, kapazitiver Koppelung, RF-Energie, Lichtstrahlung und/oder Ultraschall realisierbar ist.Furthermore, it is advantageous if the wireless energy transmission and/or energy reception can be implemented using inductive coupling, capacitive coupling, RF energy, light radiation and/or ultrasound.
Vorteilhaft zur aktiv regulierbaren Degradation eines Implantatsystems ist, dass mindestens eine metallische Implantatstruktur und ein in der elektrochemischen Spannungsreihe von der Implantatstruktur abweichendes metallisches Bauelement, mindestens ein die Implantatstruktur und das metallische Element mechanisch verbindendes Kontaktelement und mindestens ein integrierter elektronischer Schaltkreis mit mindestens einer Regeleinrichtung aufweist, wobei das Implantatsystem einem Patienten implantiert wird, und wobei mindestens die metallische Implantatstruktur und das metallische Bauelement im Körper eines Patienten mit der Körperflüssigkeit des Patienten eine galvanische Zelle bilden, wobei durch elektrochemische Reaktionen ein elektrisches Signal und/oder elektrische Energie erzeugt wird, wobei die Degradation durch eine Änderung der Stromdichte im Implantatsystem mittels integriertem elektronischen Schaltkreis reguliert wird.It is advantageous for the actively controllable degradation of an implant system that at least one metallic implant structure and one in the electrochemical voltage series has a metallic component that deviates from the implant structure, at least one contact element mechanically connecting the implant structure and the metallic element and at least one integrated electronic circuit with at least one control device, the implant system being implanted in a patient, and at least the metallic implant structure and the metallic component form a galvanic cell in the body of a patient with the patient's body fluid, an electrical signal and / or electrical energy being generated by electrochemical reactions, the degradation being regulated by a change in the current density in the implant system using an integrated electronic circuit.
Dabei ist von Vorteil, wenn die Degradation durch einen extern und drahtlos zugeführten elektrischen Strom gehemmt wird.It is advantageous if the degradation is inhibited by an external and wireless electrical current.
Vorteilhafterweise wird die erzeugte elektrische Energie der galvanischen Zelle in einer internen Energiespeichereinheit gespeichert und/oder mindestens einem Bauelement des integrierten elektronischen Schaltkreises zugeführt.Advantageously, the electrical energy generated by the galvanic cell is stored in an internal energy storage unit and/or supplied to at least one component of the integrated electronic circuit.
Ebenso vorteilhaft wird die Veränderung der Stromdichte durch eine Änderung der Impedanz des integrierten elektronischen Schaltkreises realisiert.The change in current density is also advantageously achieved by changing the impedance of the integrated electronic circuit.
Vorteilhafterweise wird eine drahtlose elektrische Energie- und/oder Signalübertragung mittels induktiver Koppelung, kapazitiver Koppelung, Radiowellen, Lichtstrahlung und/oder Ultraschall realisiert.Advantageously, wireless electrical energy and/or signal transmission is realized using inductive coupling, capacitive coupling, radio waves, light radiation and/or ultrasound.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Degradation des Implantatsystems durch eine Sensoreinheit mindestens für die Implantatstruktur erfasst, ausgewertet und/oder an eine externe Datenverarbeitungseinheit weitergeleitet wird.Furthermore, it is advantageous if the degradation of the implant system is detected, evaluated and/or forwarded to an external data processing unit by a sensor unit at least for the implant structure.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Implantatsystem mit einer Implantatstruktur zur Verfügung gestellt, welches nach dem Einsetzen keinen zusätzlichen Eingriff beim Patienten erfordert, kostengünstig und einfach ist und eine verbesserte Einflussnahme auf den Degradationsprozess ermöglicht.The present invention provides an implant system with an implant structure which does not require any additional intervention on the patient after insertion, is inexpensive and simple and enables improved influence on the degradation process.
Zusätzlich verfügt es über keinerlei Batterie oder andere interne Energiequelle und ist energetisch autonom, wodurch es kompakter konstruierbar ist und nicht durch vorzeitige Entladung seine Funktionalität verliert. Zudem kann mit dem vorgeschlagenen Implantatsystem elektrische Energie aus der natürlichen Korrosion des Implantatwerkstoffes gewonnen werden, um beispielsweise integrierte elektrische Bauteile elektrisch zu versorgen.In addition, it does not have any battery or other internal energy source and is energetically autonomous, which means it can be constructed more compactly and does not lose its functionality due to premature discharge. In addition, with the proposed implant system, electrical energy can be obtained from the natural corrosion of the implant material, for example to electrically supply integrated electrical components.
Erreicht werden die vorgenannten Vorteile durch ein Implantatsystem, durch das es insbesondere möglich wird, die Verweildauer eines speziell gestalteten und vollständig biologisch abbaubaren Implantates im menschlichen oder tierischen Körper nach dem Einsetzen gezielt zu kontrollieren.The aforementioned advantages are achieved by an implant system that makes it possible, in particular, to specifically control the length of time a specially designed and completely biodegradable implant remains in the human or animal body after insertion.
Das erfindungsgemäße Implantatsystem besteht aus mindestens vier funktionellen Komponenten, die es ermöglichen, die Korrosion beziehungsweise Degradation durch das Übermitteln von unschädlichen, kabellos übertragenen Signalen oder anderen Stimuli zu regulieren. Das Implantatsystem mit aktiv regulierbarer Degradation weist mindestens eine metallische Implantatstruktur und ein in der elektrochemischen Spannungsreihe von der Implantatstruktur abweichendes metallisches Bauelement auf. Zudem weist das Implantatsystem mindestens ein die Implantatstruktur und das metallische Element mechanisch verbindendes Kontaktelement und mindestens einen integrierten elektronischen Schaltkreis mit mindestens einer Regeleinrichtung auf, der auf dem Kontaktelement angeordnet ist.The implant system according to the invention consists of at least four functional components that make it possible to regulate corrosion or degradation by transmitting harmless, wirelessly transmitted signals or other stimuli. The implant system with actively controllable degradation has at least one metallic implant structure and a metallic component that deviates from the implant structure in the electrochemical voltage series. In addition, the implant system has at least one contact element that mechanically connects the implant structure and the metallic element and at least one integrated electronic circuit with at least one control device which is arranged on the contact element.
Unter einer Implantatstruktur soll im Rahmen der Erfindung ein biokompatibles und/oder biologisch abbaubares Implantat verstanden werden, dass beispielsweise ein Stent, eine implantierbare Knochenstütze, Messsonde oder auch Mikroroboter sein kann.In the context of the invention, an implant structure is to be understood as meaning a biocompatible and/or biodegradable implant, which can be, for example, a stent, an implantable bone support, a measuring probe or even a microrobot.
Unter Degradation soll im Rahmen der Erfindung ein biokompatibler korrosiver elektrochemischer Abbauprozess verstanden werden, bei dem im Ergebnis eine vollständige strukturelle Zersetzung aller Bestandteile des Implantatsystems in vivo erreicht wird.In the context of the invention, degradation is to be understood as meaning a biocompatible corrosive electrochemical degradation process, in which the result is a complete structural decomposition of all components of the implant system in vivo.
Unter einem integrierten elektronischen Schaltkreis mit mindestens einer Regeleinrichtung soll ein mikroelektronisches biokompatibles und biologisch abbaubares Bauelement verstanden werden, dass mit der Implantatstruktur und dem mindestens einen metallischen Bauelement mechanisch und elektrisch verbunden ist, kabellos mittels unterschiedlicher Signale erreichbar ist und mit dem aktiv auf die aus den elektrochemischen Potentialen resultierenden Stromdichten innerhalb der galvanischen Zelle Einfluss genommen werden kann.An integrated electronic circuit with at least one control device is to be understood as meaning a microelectronic biocompatible and biodegradable component that is mechanically and electrically connected to the implant structure and the at least one metallic component, can be reached wirelessly by means of different signals and with which it actively responds to the Current densities within the galvanic cell resulting from electrochemical potentials can be influenced.
Die Implantatstruktur und das metallische Bauelement bilden erfindungsgemäß zusammen mit der Körperflüssigkeit eines Patienten, die das Elektrolyt darstellt, eine galvanische Zelle, wobei sämtliche Bestandteile des Implantatsystems entweder aus biokompatiblen und vollständig biologisch abbaubaren Materialien hergestellt sind oder aus Materialien in biologisch unbedenklichen Kleinstmengen verwendet werden.According to the invention, the implant structure and the metallic component together with the body fluid of a patient, which represents the electrolyte, form a galvanic cell, with all components of the implant system either being made from biocompatible and completely biodegradable materials or being used from materials in biologically harmless small quantities.
Die Implantatstruktur bildet im Sinne der Erfindung eine Elektrode, während das metallische Bauelement die Gegenelektrode bildet. Die Implantatstruktur als Elektrode und das metallische Bauelement als Gegenelektrode werden abhängig vom vorgesehenen Betriebsmodus hinsichtlich des metallischen Materials gewählt.In the sense of the invention, the implant structure forms an electrode, while the metallic component forms the counter electrode. The implant structure as an electrode and the metallic component as a counter electrode are selected depending on the intended operating mode with regard to the metallic material.
Im Falle der beschleunigten Degradation des Implantatsystem ist das metallische Bauelement inert und edler im Sinne der elektrochemischen Spannungsreihe als das metallische Material der Implantatstruktur. Das Kontaktelement, das beispielsweise aus einem metallischen oder keramischen und biologisch abbaubaren Material bestehen kann, verbindet die Implantatstruktur mechanisch mit dem metallischen Bauelement.In the case of accelerated degradation of the implant system, the metallic component is inert and more noble in terms of the electrochemical voltage series than the metallic material of the implant structure. The contact element, which can consist, for example, of a metallic or ceramic and biodegradable material, mechanically connects the implant structure to the metallic component.
Ein erfindungswesentlicher Bestandteil des Implantatsystems ist der integrierte elektronische Schaltkreis, mit dem auf den zeitlichen Verlauf des Degradationsprozesses Einfluss genommen wird. So ist vorstellbar, dass mittels des elektronischen Schaltkreises, der auf dem Kontaktelement zwischen der Implantatstruktur und dem metallischen Bauelement angeordnet ist, über eine externe Energiequelle kabellos ein elektrischer Strom erzeugt wird und damit auf die resultierenden Stromdichten im implantierten Implantatsystem gezielt Einfluss genommen wird.A component of the implant system that is essential to the invention is the integrated electronic circuit, which influences the time course of the degradation process. It is thus conceivable that an electrical current is generated wirelessly via an external energy source by means of the electronic circuit, which is arranged on the contact element between the implant structure and the metallic component, and thus the resulting current densities in the implanted implant system are specifically influenced.
Vorstellbar ist auch, dass der elektronische Schaltkreis eine Empfängereinheit und/oder Sendeeinheit aufweist. Die Empfängereinheit und/oder Sendeeinheit kann unterschiedliche Aufgaben erfüllen, abhängig von der spezifischen Implementierung im elektronischen Schaltkreis. So ist es möglich, dass kabellos übertragene Signale vom Implantatsystem empfangen oder gesendet werden. Möglich ist auch, dass physische, physiologische, chemische oder biologische Messwerte der Komponenten des Implantatsystems erfasst, verarbeitet und gesendet werden, und/oder zur Steuerung der Schaltung verwendet werden, um das Degradationsverhalten zu regulieren.It is also conceivable that the electronic circuit has a receiver unit and/or transmitter unit. The receiver unit and/or transmitter unit can perform different tasks, depending on the specific implementation in the electronic circuit. This makes it possible for wirelessly transmitted signals to be received or sent by the implant system. It is also possible for physical, physiological, chemical or biological measurements of the components of the implant system to be recorded, processed and sent, and/or used to control the circuit in order to regulate the degradation behavior.
Zudem ist vorstellbar, dass der integrierte elektronische Schaltkreis eine Speichereinheit umfasst, beispielsweise ein Kondensator, mit der beispielsweise die aus der elektrochemischen Reaktion der galvanischen Zelle erzeugte elektrische Energie gespeichert wird und kabellos, beispielsweise durch Radiowellen, Ultraschall, Licht, oder chemische Reaktionen, übertragen wird. Die aufgenommene Energie, detektierten Signale oder gemessenen Sensordaten werden an die Regeleinheit weitergegeben, verarbeitet und auf deren Grundlage das Korrosionsverhalten des Implantatsystems durch Hemmung oder Beschleunigung beeinflusst.In addition, it is conceivable that the integrated electronic circuit includes a storage unit, for example a capacitor, with which, for example, the electrical energy generated from the electrochemical reaction of the galvanic cell is stored and transmitted wirelessly, for example by radio waves, ultrasound, light, or chemical reactions . The energy recorded, detected signals or measured sensor data are passed on to the control unit, processed and, on the basis of this, the corrosion behavior of the implant system is influenced by inhibition or acceleration.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind mehrere funktionelle Komponenten des Implantatsystems vereint. So ist es vorstellbar, dass die Implantatstruktur gleichzeitig eine Empfängereinheit und/oder Sendeinheit für die Übermittlung von Signalen aufweist.In an advantageous embodiment, several functional components of the implant system are combined. It is therefore conceivable that the implant structure simultaneously has a receiver unit and/or transmitter unit for transmitting signals.
Ein geeignetes Signal, welches durch die Empfängereinheit aufgenommen wird, kann beispielsweise mittels einer Übertragung durch induktive Kopplung oder „Midfield“ Übertragung durch Radiowellen oder Ultraschall erfolgen.A suitable signal, which is recorded by the receiver unit, can be carried out, for example, by means of transmission by inductive coupling or “midfield” transmission by radio waves or ultrasound.
In einer ersten Konfiguration der Implantatstruktur wird durch elektrochemische Reaktionen der galvanischen Zelle ein elektrisches Signal und/oder elektrische Energie erzeugt, wobei die Degradation durch eine Veränderung der Stromdichte im Implantatsystem mittels integriertem elektronischen Schaltkreis geregelt wird. Der integrierte elektronische Schaltkreis wird dazu eingesetzt, einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Implantatstruktur und dem metallischen Bauelement herzustellen. Dadurch bildet sich ein Korrosionselement mit einer beschleunigten Zersetzung der Implantatstruktur, wodurch elektrische Energie freigesetzt wird, die wiederum gespeichert werden kann und beispielsweise zur Versorgung weiterer elektronischer Bauelemente des integrierten elektronischen Schaltkreises genutzt werden kann. Es erfolgt somit eine beschleunigte Degradation, wobei externe Energie und ein Fremdstrom nicht erforderlich sind. Der Degradationsprozess erfolgt somit autonom und kann aktiv gesteuert innerhalb des Implantatsystems umgesetzt werden.In a first configuration of the implant structure, an electrical signal and/or electrical energy is generated by electrochemical reactions of the galvanic cell, with the degradation being regulated by changing the current density in the implant system using an integrated electronic circuit. The integrated electronic circuit is used to create an electrical short circuit between the implant structure and the metallic component. This forms a corrosion element with accelerated decomposition of the implant structure, whereby electrical energy is released, which in turn can be stored and used, for example, to supply further electronic components of the integrated electronic circuit. This results in accelerated degradation, whereby external energy and an external current are not required. The degradation process therefore occurs autonomously and can be actively controlled within the implant system.
Erfindungsgemäß ist es auch möglich, dass die integrierte Schaltung des integrierten elektronischen Schaltkreises derart ausgebildet ist, dass Energie oder Signale einer externen Energiequelle empfangen werden können, um einen Fremdstrom in die Implantatstruktur einzuspeisen. Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Energiezufuhr von außen drahtlos erfolgt, ohne dass dabei eine implantierte Spannungsquelle als Bestandteil des Implantatsystems erforderlich ist. Dadurch wird erreicht, dass nach der Implantation des Implantatsystems ein weiterer chirurgischer Eingriff am Patienten nicht erforderlich ist, um beispielsweise die Spannungsquelle nach der Degradation des Implantats wieder aus dem Körper zu explantieren. Die Zuführung von drahtlos übertragenem Fremdstrom in das Implantatsystem führt dazu, dass der Degradation der Implantatstruktur entgegenwirkt und damit gehemmt wird. Bei diesem Prozess wird keine Energie aus den elektrochemischen Reaktionen der galvanischen Zelle gewonnen.According to the invention, it is also possible for the integrated circuit of the integrated electronic circuit to be designed in such a way that energy or signals from an external energy source can be received in order to feed an external current into the implant structure. What is essential to the invention is that the energy supply is carried out wirelessly from the outside, without the need for an implanted voltage source as part of the implant system. This ensures that after the implant system has been implanted, no further surgical intervention on the patient is necessary, for example in order to explant the voltage source from the body again after the degradation of the implant. The supply of wirelessly transmitted external current into the implant system leads to the degradation of the implant structure being counteracted and thus inhibited. In this process, no energy is gained from the electrochemical reactions of the galvanic cell.
Zur Umsetzung eines vollständigen Degradationsprozesses sämtlicher Komponenten des Implantatsystems kann vorgesehen sein, dass die Komponenten massiv oder als Dünnfilm ausgebildet sind, um eine zeitlich abgestimmte Degradation und Funktion des Implantatsystems zu gewährleisten.To implement a complete degradation process of all components of the Implant system can be provided that the components are solid or designed as a thin film in order to ensure timed degradation and function of the implant system.
So kann vorgesehen sein, dass beispielsweise die Implantatstruktur, die Empfängereinheit und das metallische Bauelement aus einem massiven biologisch abbaubaren Material gefertigt sind, während der integrierte elektrische Schaltkreis mit Regeleinrichtung und das metallische Bauelement als Dünnfilmkomponenten ausgebildet sind. Die Dünnfilmkomponenten sind dabei dermaßen gefertigt, dass diese sich zeitlich erst nach den massiven Bestandteilen des Implantatsystems, welche aktiv degradiert werden, zersetzen und damit entsprechend länger im Körper verbleiben.For example, it can be provided that the implant structure, the receiver unit and the metallic component are made of a solid biodegradable material, while the integrated electrical circuit with control device and the metallic component are designed as thin film components. The thin film components are manufactured in such a way that they only decompose after the solid components of the implant system, which are actively degraded, and therefore remain in the body for a correspondingly longer time.
Mit der vorliegenden Erfindung werden mehrere technische Vorteile und Wirkungen erzielt.The present invention achieves several technical advantages and effects.
Bei Anwendungen, in denen das Implantatsystem einen Heilungsprozess unterstützt, kann der Heilungsprozess von Patient zu Patient unterschiedlich viel Zeit benötigen, weshalb zur Unterstützung eines individuellen Heilprozesses die Verweildauer des Implantates im Körper nach der Implantation individuell angepasst und gesteuert werden kann.In applications in which the implant system supports a healing process, the healing process may require different amounts of time from patient to patient, which is why the length of time the implant remains in the body after implantation can be individually adjusted and controlled to support an individual healing process.
Werkstoffe mit nachteiligen natürlichen Abbauraten, aber vorteilhaften Eigenschaften, wie beispielsweise vorteilhaften mechanischen Eigenschaften oder deren günstige biologische Kompatibilität, können mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen aktiv regulierterDegradation im biologisch abbaubaren Implantatsystem zum Einsatz kommen. Durch die aktive regulierbare Degradation des Implantatsystems wird zudem erreicht, dass aktiv auf die Mengenrate an freigesetzten Stoffen während des biologische Abbaus der metallischen Bestandteile des Implantatsystems Einfluss genommen werden kann und negative gesundheitliche Auswirkungen verhindert werden.Materials with disadvantageous natural degradation rates but advantageous properties, such as advantageous mechanical properties or their favorable biological compatibility, can be used in the biodegradable implant system with the actively regulated degradation proposed according to the invention. The active, controllable degradation of the implant system also ensures that the rate of released substances during the biological degradation of the metallic components of the implant system can be actively influenced and negative health effects can be prevented.
Insbesondere medizinische Mikroroboter sollen in Zukunft komplexe Eingriffe auf minimalinvasive Art im Körper durchführen. Die Entfernung oder gezielte Degradation dieser Objekte nach erfolgreicher Durchführung ihrer Aufgaben ist weiterhin eine wesentliche Herausforderung, um negative Auswirkungen, beispielsweise eine Immunreaktion, zu vermeiden.In the future, medical microrobots in particular will carry out complex procedures in the body in a minimally invasive manner. The removal or targeted degradation of these objects after they have successfully completed their tasks remains a significant challenge to avoid negative effects, such as an immune reaction.
Aus dem Stand der Technik bekannte Implantatsysteme mit integrierter Elektronik für diagnostische oder therapeutische Zwecke oder zur Übermittlung von Informationen bis zu implantierten Herzschrittmachern benötigen üblicherweise große Bauelemente in Form von Induktionsspulen oder Batterien zur Energieversorgung. Dies hat erhebliche negative Auswirkungen auf deren Größe, Gewicht und Preis und erfordert, im Falle von teilweise biologisch abbaubaren Implantaten, bisher eine nachfolgende Explantation aus dem Körper des Patienten. Die Erfindung ermöglicht es, dass auf den Einsatz von großen Induktionsspulen oder Batterien verzichtet werden kann, wodurch das Implantatsystem insbesondere kompakt, einfach und kostengünstig ist.Implant systems known from the prior art with integrated electronics for diagnostic or therapeutic purposes or for transmitting information to implanted pacemakers usually require large components in the form of induction coils or batteries for energy supply. This has significant negative effects on their size, weight and price and, in the case of partially biodegradable implants, has previously required subsequent explantation from the patient's body. The invention makes it possible to dispense with the use of large induction coils or batteries, making the implant system particularly compact, simple and inexpensive.
Die Erfindung ermöglicht es im Gegensatz zu bisher bekannten biologisch abbaubaren Implantaten, die Verweildauer des Implantatsystems im Körper nach deren Implantation aktiv und gezielt zu regulieren, wodurch der technische Vorteil erreicht wird, dass die Verweilzeit im Körper an den individuellen Heilungsprozess individuell angepasst oder auch bei unerwünscht auftretenden Umständen, wie beispielsweise einer Immunreaktion, einem bakteriellen Befall des Implantates oder das Entstehen einer Plaqueschicht (in Stents), eingegriffen werden kann.In contrast to previously known biodegradable implants, the invention makes it possible to actively and specifically regulate the residence time of the implant system in the body after its implantation, thereby achieving the technical advantage that the residence time in the body is individually adapted to the individual healing process or even undesirable Circumstances that occur, such as an immune reaction, bacterial infection of the implant or the formation of a plaque layer (in stents), can be intervened.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit dem integrierten elektronischen Schaltkreis die in der galvanischen Zelle erzeugte elektrische Energie beispielsweise zur Versorgung weiterer elektronischer Bauteile innerhalb des Implantatsystems genutzt werden kann. Dadurch wird der Einsatz spezieller Komponenten, beispielsweise von Batterien, vermieden und die Entwicklung kompakter und autonom agierender Implantatsysteme ermöglicht.A further advantage of the invention is that, with the integrated electronic circuit, the electrical energy generated in the galvanic cell can be used, for example, to supply further electronic components within the implant system. This avoids the use of special components, such as batteries, and enables the development of compact and autonomous implant systems.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazugehörigen Figuren zeigen
-
1 eine schematische Darstellung des Implantatsystems und -
2 einen elektrischen Schaltplan des Implantatsystems mit elektronischer Schalteinrichtung -
3 einen elektrischen Schaltplan des Implantatsystems mit Stromregeleinrichtung.
-
1 a schematic representation of the implant system and -
2 an electrical circuit diagram of the implant system with electronic switching device -
3 an electrical circuit diagram of the implant system with current control device.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELEXAMPLE
Eine konventionelle metallische Stent-Struktur aus der biologisch abbaubaren Eisenlegierung Fe-30Mn-1C wird gefertigt und bereitgestellt. Diese fungiert im Implantatsystem als Anode. Ein metallisches Bauelement aus Platin in Form eines im Wesentlichen rechteckig ausgebildeten metallischen Plättchens, das als kathodische Gegenelektrode fungiert, wird als Dünnfilm auf einem biologisch abbaubaren Substrat gefertigt und zu einem Chip verarbeitet. Zudem wird ein mikroelektronischer Schaltkreis auf einem biologisch abbaubaren Substrat gefertigt. Der mikroelektronische Schaltkreis weist eine Greinacher-Schaltung und einen Transistor auf. Zudem wird eine elektromagnetische Spule zum Empfang von Radiowellen aus einem biologisch abbaubaren Material gefertigt. Die Spule wird an den Schaltkreis angeschlossen, sodass eine induzierte Wechselspannung zunächst zu einer Gleichspannung gewandelt wird. Diese Gleichspannung wird an den Transistor angelegt, sodass er durch diese geöffnet werden kann. Der Transistor verbindet die Stent-Struktur als Anode mit dem metallischen Bauelement als Kathode. Der Transistor ist ein N-Kanal MOSFET. In diesem Fall ist die Stent-Struktur als Anode an die Quelle und das metallische Bauelement als Gegenelektrode an den Abfluss geschaltet. Das beschriebene Implantatsystem wird in den Körper eines Patienten implantiert. Nach der Implantation des Implantatsystems und abgeschlossenem Heilprozess wird ein Radiowellen-Signal außerhalb des Körpers erzeugt und durch den Empfänger des Implantates aufgenommen. Die dadurch induzierte Wechselspannung wird vom Regler umgewandelt und öffnet den Transistor. Dadurch wird ein elektrischer Kurzschluss zwischen der Stent-Struktur und dem metallischen Bauelement realisiert, was zu einer beschleunigten Degradation des Implantates führt. Das Entfernen des Radiowellen-Signals beendet den Degradationsprozess. Der Vorgang kann nach Bedarf wiederholt werden. Die Degradationsrate kann durch die Stärke des Signals oder durch dessen Pulsweitenmodulation reguliert werden. Besondere Vorteile werden beim vorliegenden Implantatsystem dadurch erzielt, dass die Implantatstruktur aus der Eisenlegierung Fe-30Mn-1C und die Gegenelektrode aus Platin besteht. Diese Materialkombination bildet in Laborversuchen ein Ruhepotential von etwa 0.95 V in Kochsalzlösung aus und kann Leistung in der Größenordnung 0,01 - 0,1 mWcm-2 bereitstellen.A conventional metallic stent structure made of the biodegradable iron alloy Fe-30Mn-1C is manufactured and provided. This acts as an anode in the implant system. A metallic component made of platinum in the form of a substantially rectangular metallic plate, which functions as a cathodic counter electrode, is manufactured as a thin film on a biodegradable substrate and processed into a chip. In addition, a microelectronic circuit is manufactured on a biodegradable substrate. The microelectronic circuit has a Greinacher circuit and a transistor. In addition An electromagnetic coil for receiving radio waves is made from a biodegradable material. The coil is connected to the circuit so that an induced alternating voltage is first converted to a direct voltage. This DC voltage is applied to the transistor so that it can be opened. The transistor connects the stent structure as an anode with the metallic component as a cathode. The transistor is an N-channel MOSFET. In this case, the stent structure is connected to the source as an anode and the metallic component is connected to the drain as a counter electrode. The implant system described is implanted into the body of a patient. After the implant system has been implanted and the healing process has been completed, a radio wave signal is generated outside the body and recorded by the implant receiver. The alternating voltage induced by this is converted by the regulator and opens the transistor. This creates an electrical short circuit between the stent structure and the metallic component, which leads to accelerated degradation of the implant. Removing the radio wave signal stops the degradation process. The process can be repeated as needed. The degradation rate can be regulated by the strength of the signal or by its pulse width modulation. Particular advantages are achieved with the present implant system in that the implant structure is made of the iron alloy Fe-30Mn-1C and the counter electrode is made of platinum. In laboratory tests, this material combination creates a resting potential of around 0.95 V in saline solution and can provide power in the order of 0.01 - 0.1 mWcm -2 .
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- ImplantatstrukturImplant structure
- 22
- Kontaktelement mit integriertem elektronischen Schaltkreis mit RegeleinrichtungContact element with integrated electronic circuit with control device
- 33
- EmpfangseinheitReceiving unit
- 44
- Metallisches Bauelement / GegenelektrodeMetallic component / counter electrode
- 55
- Externe SendeeinheitExternal sending unit
Claims (15)
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2022
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