Drahtloser Strom für kleine Implantate

Mit einer neuen Methode zur Energieversorgung sollen medizinische Geräte lange Zeit im Körper bleiben können, ohne dass man ihre Batterie wechseln muss.

Bioelektrische Komponenten wie Schrittmacher, Geräte zur tiefen Hirnstimulation oder Cochleaimplantate sind mittlerweile zum Standard in der fortschrittlichen Medizin geworden. In Zukunft dürfte sich die Anzahl solcher "Gadgets für den Körper" weiter erhöhen – beispielsweise, um Appetit und Insulinniveau zu regulieren, den Blutzucker zu senken oder physiologisch bedingte psychiatrische Erkrankungen zu behandeln.

Allein, es bleibt ein Problem: Wie lassen sich diese Implantate möglichst unkompliziert elektrisch betreiben? Batterien, wie sie etwa in Schrittmachern stecken, sind zu klobig für Minigeräte, die beispielsweise direkt an Nerven andocken können. Bestehende Drahtlostechnologien zur Stromversorgung wie etwa bei Cochleaimplantaten funktionieren dagegen nur für Geräte, die nicht sehr weit unter der Haut stecken.

Die Elektroingenieurin Ada Poon hat zusammen mit ihrem Team an der Stanford University deshalb nun eine neue Methode vorgeschlagen. Zusammen mit weiteren Forscherkollegen hat sie ein Verfahren zur Energieversorgung entwickelt, bei dem ein Magnetfeld in den Körper geschickt wird, das auch tief sitzende Implantate erreicht.

Drahtlossysteme wie die von Cochleaimplantaten müssen permanent auf der Haut sitzen. Sie beziehen Energie über die elektromagnetische Induktion, bei der ein Strom, der durch eine Spule geschickt wird, ein Magnetfeld generiert, das dann wiederum Strom in einem in der Nähe liegenden Gerät induziert. Das Problem dabei ist, dass das Feld sich exponentiell mit der Distanz zur generierenden Spule abbaut. Deshalb funktioniert das Verfahren nur in der Nähe der Hautoberfläche.

Poon und ihr Team wollen die elektromagnetische Induktion nun auch durch dickeres biologisches Gewebe erreichen können, ohne dass sich das Feld zu stark auflöst. Ihre Technik nennt sich "Midfield Wireless Powering" – im Gegensatz zur Nearfield-Variante wie bei der regulären Induktion oder bei der Farfield-Technik, die etwa Funksender verwenden.

Wichtigster Punkt dabei ist es, dass statt einer Drahtspule eine flache Platte verwendet wird, auf der ein aus vier Linien bestehendes Muster aus leitfähigem Material aufgebracht wird, dass die Forscher eigens entwickelt haben. Schickt man hier einen Strom hindurch, entsteht ein Magnetfeld, das sich auch durch Gewebe verteilen kann, ohne dass es schon nach einer kurzen Distanz nicht mehr nutzbar wäre. Die Platte würde in der Praxis auf der Haut angebracht und somit das Implantat dauerhaft versorgen.

Morris Kesler, Forschungsvizepräsident bei WiTricity, einem Spezialisten für drahtlose Stromversorgung, hält Poons Idee insbesondere für die Versorgung kleinerer Geräte für nützlich.

Um die neue Technik zu testen, implantierte die Stanford-Gruppe zunächst einen Schrittmacher von der Größe eines Reiskorns in ein Kaninchen und betrieb das Gerät mit einer Platte mit einer Kantenlänge von sechs Zentimetern. Der Wirkungsgrad lag hier nur bei rund 0,1 Prozent, ein Großteil der Energie, das von dem leitfähigen Material abgestrahlt wurde, ging verloren. Trotzdem reichte es aus, das kleine Implantat zu betreiben. Zudem wurden bestehende Strahlengrenzwerte für Menschen dabei nicht überschritten.

In Zukunft wollen Poon und Co. auch eine flexible Version ihrer Funkplatte entwickeln, die angenehmer auf der Haut zu tragen ist. Eine ihrer Masterstudenten arbeitet zudem an einer Variante, die auch andere Materialien außer biologischem Gewebe penetrieren kann.

Kip Ludwig, Programmdirektor für Neuroingenieurwesen am US-Nationalinstitut für neurologische Krankheiten, hält Poons Methode für interessant, sieht aber noch Jahre der Forschung auf sie zukommen. Die Bioelektronik sei aber so vielversprechend, dass das Stromversorgungsproblem dringend gelöst werden müsse. (bsc)