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Montag, 27 Juli 2020 10:00

IMagnetisch betriebener Nervenstimulator

von Redaktion
Geschätzte Lesezeit: 2 - 4 Minuten
Abb. 1: Ein Muster des magnetoelektrischen Dünnschicht-Elements entwickelt an der Rice University. Neuroingenieure schufen den zweischichtigen Film, um implantierbare Nervenstimulatoren anzusteuern, die ungefähr die Größe eines Reiskorns haben. Der Film wandelt Energie aus einem magnetischen Feld direkt in eine elektrische Spannung um, wodurch eine Batterie oder eine verdrahtete Stromverbindung überflüssig wird Abb. 1: Ein Muster des magnetoelektrischen Dünnschicht-Elements entwickelt an der Rice University. Neuroingenieure schufen den zweischichtigen Film, um implantierbare Nervenstimulatoren anzusteuern, die ungefähr die Größe eines Reiskorns haben. Der Film wandelt Energie aus einem magnetischen Feld direkt in eine elektrische Spannung um, wodurch eine Batterie oder eine verdrahtete Stromverbindung überflüssig wird

Neuroingenieure der Rice University haben ein winziges chirurgisches Implantat entwickelt, das das Gehirn und das Nervensystem elektrisch stimulieren kann, ohne dass eine Batterie oder ein kabelgebundenes Netzteil benötigt wird. Der neuronale Stimulator bezieht seine Leistung aus magnetischer Energie und hat etwa die Größe eines Reiskorns. Er ist der erste magnetisch betriebene Nervenstimulator, der die gleiche Art von Hochfrequenzsignalen erzeugt wie klinisch zugelassene, batteriebetriebene Implantate, die zur Behandlung von Epilepsie, Parkinson, chronischen Schmerzen und anderen Krankheiten eingesetzt werden.

Der Hauptbestandteil des Implantats ist ein dünner Film aus magnetoelektrischem Material, der magnetische Energie direkt in eine elektrische Spannung umwandelt. Die Methode vermeidet die Nachteile von Radiowellen, Ultraschall, Licht und sogar Magnetspulen, die bisher für die Versorgung winziger drahtloser Implantate vorgeschlagen wurden und nachweislich unter Interferenzen mit lebendem Gewebe leiden oder schädliche Wärmemengen erzeugen. Abb. 2: Um die Funktionsfähigkeit der magnetoelektrisch betriebenen Miniaturtechnologie zur Nervenstimulation zu demonstrieren, entwickelten die Neuroingenieure der Rice University winzige Geräte, die unter der Haut von Nagetieren angebracht wurden, die sich frei in ihren Gehegen bewegen konnten. Die Nagetiere zogen es vor, sich in Teilen der Gehege aufzuhalten, in denen ein Magnetfeld den Stimulator aktivierte und eine kleine Spannung an das Belohnungszentrum ihres Gehirns lieferteAbb. 2: Um die Funktionsfähigkeit der magnetoelektrisch betriebenen Miniaturtechnologie zur Nervenstimulation zu demonstrieren, entwickelten die Neuroingenieure der Rice University winzige Geräte, die unter der Haut von Nagetieren angebracht wurden, die sich frei in ihren Gehegen bewegen konnten. Die Nagetiere zogen es vor, sich in Teilen der Gehege aufzuhalten, in denen ein Magnetfeld den Stimulator aktivierte und eine kleine Spannung an das Belohnungszentrum ihres Gehirns lieferte

Um die Funktionsfähigkeit der magnetoelektrischen Technologie zu demonstrieren, zeigten die Forscher,  dass die Implantate bei Nagetieren funktionierten, die völlig wach und frei in ihren Gehegen herumstreunen konnten. Die Durchführung dieser Demonstration des Proof-of-Principle ist ein riesiger technologischer Sprung von einer Demonstration am Prüfstand zu etwas, das für die Behandlung von Menschen tatsächlich zum Einsatz kommen kann. Für kabellose Bioelektronik sind diese neuen Materialien ideal geeignet und erlauben eine Miniaturisierung von elektronischen Implantaten. Winzige Implantate, die in der Lage sind, die Aktivität des Gehirns und des Nervensystems zu modulieren, könnten weitreichende Auswirkungen haben. Während batteriebetriebene Implantate häufig zur Behandlung von Epilepsie und zur Reduzierung von Zittern bei Parkinson-Patienten eingesetzt werden, hat die Forschung gezeigt, dass die Nervenstimulation bei der Behandlung von Depressionen, Zwangsstörungen und bei mehr als einem Drittel der Menschen, die unter chronischen, hartnäckigen Schmerzen leiden, die häufig zu Angstzuständen, Depressionen und Opioidabhängigkeit führen, nützlich sein könnte. Die geringe Größe der Implantate ist dabei wichtig, weil der Schlüssel für eine breitere Verfügbarkeit der Nervenstimulationstherapie in der Schaffung batterieloser, drahtloser Geräte liege, die klein genug seien, um ohne größere Operation implantiert werden zu können. Geräte in der Größe eines Reiskorns könnten fast überall im Körper mit einem minimal-invasiven Verfahren implantiert werden, ähnlich dem, das zur Platzierung von Stents in blockierten Arterien verwendet wird. 

Für die Tierversuche wurden die Geräte unter die Haut von Nagetieren gepflanzt, sodass sie sich frei in ihren Gehegen bewegen konnten. Der Stimulator übermittelte eine kleine Spannung ans Belohnungszentrum des Gehirns der Tiere. Die Nager zogen es vor, sich in Teilen der Gehege aufzuhalten, in denen ein Magnetfeld den Stimulator aktivierte.

Die drahtlose Stromversorgung im Implantat wurde erreicht, indem Schichten aus zwei sehr unterschiedlichen Materialien in einem einzigen Film verbunden wurden. Die erste Schicht, eine magnetostriktive Folie aus Eisen, Bor, Silizium und Kohlenstoff, schwingt auf molekularer Ebene, wenn sie in ein Magnetfeld gebracht wird. Die zweite, ein piezoelektrischer Kristall, wandelt mechanische Spannung direkt in eine elektrische Spannung um. Das Magnetfeld erzeugt Spannung im magnetostriktiven Material. Dabei werden akustische Wellen erzeugt. Wird der Chip im akustischen Resonanzmodus betrieben, so er-zeugen die Schwingungen Spannung in der piezoelektrischen Hälfte des Films.

Während die magnetoelektrischen Filme zwar viel magnetische Energie in elektrische umwandeln können, arbeiten sie bei einer Frequenz, die zu hoch ist, um die Gehirnzellen zu beeinträchtigen. Die Herausforderung war, das hochfrequente Signal nun mit einer niedrigen Frequenz zu modulieren, auf das die Zellen reagieren können. Das modulierte biphasischen Signal muss also die Neuronen stimulieren können, ohne sie zu schädigen.

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  • Ausgabe: 7
  • Jahr: 2020
  • Autoren: Redaktion

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