Intelligente Implantate für Diagnostik und Therapie

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1 Das NMI ist Mitglied der Innovationsallianz Baden-Württemberg Dr. Alfred Stett Medizinische Implantate, Aachen Dr. Alfred Stett Intelligente Implantate für Diagnostik und Therapie Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen

2 Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen, Reutlingen gegründet 1985 gemeinnützige Stiftung bürgerlichen Rechts 180 Mitarbeiter Umsatz 13,1 Mio.Euro (2011) anwendungsorientierte Forschung Dienstleistungen für industrielle Kunden An-Institut und Innovationspartner der Universität Tübingen Partner im Spitzencluster microtec Südwest Mitglied der Innovationsallianz Baden-Württemberg» Anwendungsorientierte Forschung an der Schnittstelle von Bio- und Materialwissenschaften Geschäftsfelder Pharma und Biotechnologie Biomedizintechnik Oberflächen- und Grenzflächentechnologie Alfred Stett Intelligente Implantate

3 Aktive elektronische Mikroimplantate Alfred Stett Intelligente Implantate

4 Schlafapnoe In Deutschland sind 1 2 % der Frauen und 2 4 % der Männer im mittleren Lebensalter vom OSAS betroffen Inspire Medical Systems, Minneapolis, Minnesota Inspire Upper Airway Stimulation (UAS) therapy

5 Telemonitoring COMPASS Cardiac Output Monitor mit pulmonalarteriellen Sensoren Alfred Stett Intelligente Implantate

6 Drahtlose Herzschrittmacher Medtronic Nanostime (St. Jude) Alfred Stett Intelligente Implantate

7 Intelligente Implantate Aktive Mikroimplantate Sensoren, Aktoren, Elektronikbaugruppen, Energieversorgung; geringste Abmessungen und Baugrößen bei hoher Komplexität und Funktionalität; digitale Algorithmen, Telemetrie, Vernetzung kontrollierte Gewebeintegration durch bioaktive Oberflächen; Ziel: aktive Implantate mit sicherer Funktion > 10 Jahre aktive Bauteile Gehäuse/ Verkapselung Verbindung flexible Leiterbahn Oberfläche Sensoren Aktoren INTELLIGENTE Implante NMI 2011 Datenmanagement Energieversorgung Biokompat. Biostabilität SMART Implant Technische Umgebung Biologische Umgebung Alfred Stett Intelligente Implantate

8 Marktchancen für aktive medizinische Implantate sehr innovativer und dynamisch wachsender Bereich der Medizintechnik weltweiter Umsatz ca. 15 Milliarden US$ im Jahr 2011 jährliches Wachstum: 8,9 % am schnellsten wachsende Segmente (CAGR) Neurostimulatoren (10.5%) implantierbare Medikamenten-Dosiersysteme (10.5%) Ohrimplantate (18.2%). Herzimplantate (7,4 %) 23,1 b. US$ BCC Research, Alfred Stett Intelligente Implantate

9 Systemarchitekturen aktiver Implantate Alfred Stett Intelligente Implantate

10 Herzschrittmacher Titangehäuse, enthält Batterie und Steuerelektronik Steckverbindung Elektroden Alfred Stett Intelligente Implantate

11 Cochlear implant 1978 first implantation at Melbourne University 1984 first implantation in Europe > implants worldwide Headpiece Implant Auditory Nerve Microphone Audio Processor Cochlea external audio processor with microphone, batteries and coil Electrode System flexible electrode array, wave-shaped wires Implant - housing - electronics - coil with magnet - electrode array Alfred Stett Intelligente Implantate

12 Hirnschrittmacher Tiefenhirnstimulation zur Behandlung von Bewegungsstörungen Tremor, Parkinson Depression, Zwangsstörungen Medtronic, 1997 FDA Zulassung > Patienten weltweit 400 Implantationen pro Jahr in Deutschland Prof. Thomas Schläpfer/ Uni Bonn Alfred Stett Intelligente Implantate

13 Platform for measuring and stimulation of brain activity 32 channels for closed-loop recording and stimulation external power supply planar electrode array for intracranial electroencephalography (EEG) monitoring control of assistive devices for patients with stroke, paraplegia etc Alfred Stett Intelligente Implantate

14 Implant Netzhaut-Implantat Wiederherstellung der Sehfunktion mit einem Chip in der Netzhaut Alfred Stett Intelligente Implantate

15 Subretinales Implantat Silicone cable Flexible Substrate bare CMOS Chip Reference electrode Polyimide multilayer Ceramic housing with HF power supply External Supply Unit MCS Multichannel Systems GmbH Alfred Stett Intelligente Implantate

16 Retina Implantat Chip für elektrische Netzhautstimulation gehäusefreier Chip mit 1500 Pixel (70x70 µm) Chipgröße 3x3 mm externe Energieversorgung Klinische Versuche Wörter lesen Objekt- und Gesichtserkennung Bewegung ohne Assistenz (Picture by Retina Implant AG) Aktive Schaltung Mikroelektrode Photodiode

17 Intelligente Implantate aktuelle Projekte des NMI Alfred Stett Intelligente Implantate

18 Invasive Epilepsiediagnostik invasive EEG-Ableitung, 7-14 Tage in Intensiv-Monitoring-Einheit Komplikationsrisiko (Infektionen, Blutungen) aufgrund des Einbringens der Elektroden und der bestehenden Ausleitung von Kabelverbindungen durch Schädel und Haut nach aussen. längerdauernde EEG-Ableitungen während der prächirurgischen Diagnostik sind aus ärztlicher Sicht wünschenswert Alfred Stett Intelligente Implantate

19 incrimp: Intrakranielles Implantat für die invasive Epilepsiediagnostik sichere Langzeitableitung ohne Einschränkung der Bewegungsfreiheit der Patienten während der prächirurgischen Diagnostik kabelloses intrakranielles Implantat für die kontinuierliche EEG- Messung drahtlose Energie- und Datenübertragung Implantation max. 4 Wochen Alfred Stett Intelligente Implantate

20 Brainboard: Flexibles Mikroimplantat mit integrierter Elektronik SMD/IC-Bauteile Dünnschicht- Verkapselung mehrlagiges flexpcb Board mit Datenmanagement Telemetrie, Energieversorgung Dünnschicht- Elektroden 8x8 mm Alfred Stett Intelligente Implantate

21 Encapsulation of flexible microimplants Protection of electronics from ingressing water and ions by thin-film encapsulation inorganic barrier coating H 2 O-permeation through defects moisture diffusion electrode polymer layer system multi-layer flexpcb bare chip chip in package Alfred Stett Intelligente Implantate

22 Herausforderungen Alfred Stett Intelligente Implantate

23 Intelligente Implante: Herausforderung für die Materialwissenschaft und Mikrosystemtechnik Kleine, flexible und sichere Bauformen ohne Kabelverbindungen viele Elektroden für Stimulation und Messung Integration von Elektronik für Energieversorgung, Datenmanagement und Telemetrie langlebige Batterien, leistungsfähige Energiequellen Funktionsdauer >10 Jahre bei Verzicht auf starres Gehäuse flexible thin-film Leiterbahnen cable active CMOS chip Chip mit with electrodes packaging Aufbau - und and Verbindungstechnik encapsulation Medtronic Alfred Stett Intelligente Implantate Retina Implant NMI - MCS

24 Herausforderung: Sichere und funktionelle aktive Implantate Implantate sind Fremdkörper schonende Implantation Kontrolle der Fremdkörperreaktion Miniaturisierung Elektronik ist weder biokompatibel noch biostabil hermetisch-dichte Verpackung Kontrolle der Wärmeentwicklung Gewährleistung sicherer Zustände bei Fehler Implantatlebensdauer ist begrenzt Vermeidung von Patientenbelastung und Komplikationen bei Austauschoperationen biostabile Bauformen (kabellos) besonders langlebige Batterien Implantate können mit äußerer Umgebung interferieren EMV-Verträglichkeit MR Tauglichkeit Alfred Stett Intelligente Implantate

25 Vision Intelligente Implantate ermöglichen spezifischere Diagnoseverfahren, wirksamere Therapien und alltagstaugliche Hilfsmittel für die Rehabilitation Voraussetzungen neue Materialkombinationen, Bauformen und Energiequellen; innovative Bearbeitungs- und Fertigungsmethoden der Mikrosystemtechnik; Kombination von Mikrosystemen mit Nano-, Bio- und IKT-Techniken; enge Zusammenarbeit zwischen Grundlagenforscher, Entwickler, Mediziner, Zulassungsstellen, Kostenerstatter Alfred Stett Intelligente Implantate

26 Dankeschön. NMI fleximplant: cableless wireless - flexible Alfred Stett Intelligente Implantate