In een aanzienlijke vooruitgang heeft een onderzoeksteam onder leiding van Professor Sung-Min Park van de afdelingen Convergerende IT-Engineering, Werktuigbouwkunde, Elektrotechniek en de School voor Interdisciplinaire Biowetenschappen en Bioengineering aan de POSTECH, samen met Jiho Lee, MS/PhD-student, Professor Sang-Woo Kim van de Yonsei Universiteit, en Dr. Young-Jun Kim en MS/PhD-student Joon-Ha Hwang van de Sungkyunkwan Universiteit, een baanbrekende doorbraak bereikt.
De samensmelting van wetenschap en geneeskunde heeft de weg vrijgemaakt voor opmerkelijke innovaties, die de patiëntenzorg en levenskwaliteit aanzienlijk hebben verbeterd. Een vooraanstaand voorbeeld van deze synergie is de ontwikkeling van elektronische apparaten ontworpen voor implantatie in cruciale gebieden zoals het hart en de hersenen. Deze apparaten zijn cruciaal voor het monitoren en reguleren van fysiologische signalen in real-time, en bieden baanbrekende oplossingen voor complexe aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson. Echter, de weg naar hun semi-permanente gebruik na implantatie is bezaaid geweest met technische uitdagingen.
Hun baanbrekend werk omvat de ontwikkeling van elektrostatische materialen die functioneren zelfs met extreem zwakke ultrasone golven. Deze innovatie markeert het begin van een nieuw tijdperk voor permanent implanteerbare elektronische apparaten in de biogeneeskunde, zoals gerapporteerd in het prestigieuze internationale academische tijdschrift Advanced Materials.
Technische Uitdagingen Overwinnen voor Duurzame Oplossingen
Patiënten met geïmplanteerde apparaten moesten traditioneel periodieke operaties ondergaan voor batterijvervanging. Dit proces brengt niet alleen een aanzienlijk risico op complicaties met zich mee, maar legt ook economische en fysieke lasten op de patiënten. Recente onderzoeken richten zich op implanteerbare medische apparaten die draadloos werken, maar het vinden van een veilige energiebron en beschermende materialen blijft een uitdaging.
Traditioneel wordt titanium (Ti) gebruikt vanwege zijn biocompatibiliteit en duurzaamheid. Echter, radiogolven kunnen dit metaal niet passeren, wat een aparte antenne voor draadloze stroomoverdracht noodzakelijk maakt. Dit leidt tot een vergroting van de apparaatgrootte en veroorzaakt meer ongemak voor de patiënten.
Het onderzoeksteam heeft dit probleem aangepakt door te kiezen voor ultrasoon, een veiligheidsgevalideerde methode in verschillende medische velden voor diagnoses en behandelingen, in plaats van radiogolven. Ze ontwikkelden een elektrostatisch materiaal dat reageert op zwakke ultrasone geluiden door gebruik te maken van een composiet van hoogdiëlektrische polymeren (P(VDF-TrFE)) en een keramisch materiaal met een hoge diëlektrische constante, bekend als calciumkoper-titanium (CCTO, CaCu3Ti4O12). Dit materiaal genereert statische elektriciteit door wrijving tussen de materiaallagen, produceert effectieve elektrische energie en heeft een extreem lage uitgangsimpedantie, wat efficiënte overdracht van de opgewekte elektriciteit mogelijk maakt.
Met deze technologie heeft het onderzoeksteam een implanteerbare neurologische stimulator gecreëerd die wordt aangedreven door op ultrasone gebaseerde energieoverdracht, waardoor de noodzaak voor batterijen wordt geëlimineerd. Dit werd bevestigd door experimentele validatie. In diermodelproeven werd het apparaat geactiveerd zelfs bij standaard beeldvormende ultrasone niveaus (500 mW/cm2), waarbij minimale belasting voor het menselijk lichaam werd opgelegd.
Samenvattend presenteert deze technologische doorbraak niet alleen een duurzamere en minder invasieve benadering voor medische implantaten, maar staat het ook als getuigenis van het transformerende potentieel van de integratie van wetenschap en geneeskunde. Terwijl het team van Professor Sung-Min Park de grenzen blijft verleggen, ziet de toekomst van de medische technologie er voor patiënten wereldwijd helderder en veelbelovender uit.