Smarte Implantate, Mikrosensorik und bioresorbierbare Materialien

Welche Rolle spielen integrierte Mikro Sensoren in der nächsten Generation von Smart Implants – geht es primär um Monitoring, Entscheidungsunterstützung oder auch um autonome Therapieanpassung in Echtzeit?

Dr. Harald Unterweger: Der Fokus liegt aktuell ganz klar auf Monitoring und Entscheidungsunterstützung. Das sind auch die Systeme, die sich derzeit aus der Forschung heraus in Richtung klinische Anwendung bewegen. Sensoren werden eingesetzt, um Heilungsverläufe objektiv zu erfassen oder den Zustand eines Implantats über die Zeit zu überwachen.
Ein konkretes Beispiel sind implantierbare Drucksensoren, die auf osteosynthetischen Metallimplantaten angebracht werden. Sie messen kontinuierlich die mechanische Belastung im Bereich eines Knochenbruchs. Aus dem zeitlichen Verlauf dieser Messdaten lassen sich Rückschlüsse auf die Knochenheilung ziehen – etwa, ob sich der Knochen bereits stabilisiert oder ob ein Versagen des Implantats droht. Auf dieser Basis können Ärztinnen und Ärzte fundierter entscheiden, ob eine Nachjustierung oder sogar eine zweite Operation notwendig wird. Solche Systeme befinden sich bereits in klinischen Studien und wurden erstmals am Menschen eingesetzt.
Ähnliche Entwicklungen gibt es etwa bei Sensoren zur kontinuierlichen Messung des Augeninnendrucks. Autonome Systeme mit Sensor Aktor Kopplung, also Implantate, die selbstständig therapeutisch eingreifen, sehe ich dagegen noch deutlich weiter in der Zukunft. Hier spielen neben der technischen Machbarkeit vor allem ethische, regulatorische und sicherheitsrelevante Fragen eine zentrale Rolle.

Wie werden die technischen Grenzen heutiger Sensorik – Stichworte Drift, Rauschen und Langzeitstabilität – adressiert, um verlässliche Langzeitmessungen im Körper zu ermöglichen?

Unterweger: Grundsätzlich arbeitet man in der Messtechnik immer mit Referenzstandards, intern oder extern, die als Null  oder Kalibrierpunkte dienen. Über solche Referenzen lassen sich Drifteffekte und Störungen mathematisch kompensieren oder herausfiltern.
Dabei muss man unterscheiden, welche Art von Störung vorliegt. Periodische Signale wie der Herzschlag lassen sich anders behandeln als chaotische Bewegungen, etwa durch körperliche Aktivität. Entsprechend kommen Hoch  und Tiefpassfilter, Schwellenwerte oder andere Signalverarbeitungsalgorithmen zum Einsatz. Welche Methode sinnvoll ist, hängt stark davon ab, was gemessen wird und wie stark das eigentliche Signal im Verhältnis zum Rauschen ist.
Zusätzlich spielt der mechanische Aufbau des Sensors eine große Rolle. Sensorelemente können eingekapselt, mechanisch entkoppelt oder durch dämpfende Strukturen vor äußeren Einflüssen geschützt werden. Langzeitdrift lässt sich zudem über Selbstkalibrierung oder externe Kalibrierimpulse, beispielsweise über kontaktlose Schnittstellen wie NFC, ausgleichen. Entscheidend ist letztlich immer der konkrete Anwendungsfall.

Bioresorbierbare Implantate auf Basis von Magnesium oder Zink gelten als Gamechanger. Welche Anwendungen sind hier als erste realistische Massenanwendungen denkbar?

Unterweger: Bioresorbierbare Implantate sind keine reine Zukunftsvision mehr. Es gibt bereits Schrauben und Fixierungselemente aus Magnesium, die klinisch eingesetzt werden. Die Grundidee ist, dass sich das Material über Wochen oder Monate abbaut und eine zweite Operation zur Explantation entfällt.
Für hochbelastete Anwendungen – etwa im Bereich von Ober  oder Unterschenkelknochen – ist das jedoch nach wie vor schwierig. Der Grund ist simpel: Ein resorbierbares Material verliert mit der Zeit an mechanischer Stabilität. Wird es zu früh zu stark belastet, besteht die Gefahr eines mechanischen Versagens. In solchen Fällen sind klassische Metallimplantate weiterhin notwendig und müssen später wieder entfernt werden.
Sehr vielversprechend sind dagegen temporäre Anwendungen, etwa bioresorbierbare Stents. Diese halten ein Gefäß nur so lange offen, wie es medizinisch erforderlich ist, und lösen sich anschließend kontrolliert auf. Solche Konzepte sind bereits in der Anwendung, erfordern aber eine sehr genaue Kontrolle der Abbaurate, um Risiken wie Partikelbildung oder Gefäßverschlüsse zu vermeiden.

Welche Rolle spielen generatives oder algorithmisches Design und additive Fertigung, um Abbaurate und Mechanik bioresorbierbarer Implantate gezielt zu steuern?

Unterweger: Die Mechanik und die Abbaurate lassen sich über mehrere Stellgrößen beeinflussen: Materialzusammensetzung, Mikrostruktur, Oberflächenmorphologie und Geometrie. Man kann beispielsweise Kompositmaterialien einsetzen, bei denen unterschiedliche Komponenten verschieden schnell degradieren. Auch Rauigkeit, Porosität oder die kristallographische Orientierung bei Metallen haben einen erheblichen Einfluss auf das Abbauverhalten.
Die zugrunde liegenden Mechanismen sind im Wesentlichen bekannt, man braucht also nicht zwingend einen generativen Ansatz, um funktionierende Designs zu entwickeln. Allerdings wird das System sehr schnell komplex, weil jede Änderung einer Eigenschaft Auswirkungen auf andere Eigenschaften haben kann – etwa auf die mechanische Stabilität oder die Biokompatibilität.
Hier können KI gestützte Optimierungsansätze sinnvoll sein, um Zielkonflikte aufzulösen und ein Optimum zu finden. In Kombination mit additiver Fertigung eröffnen sich zusätzliche Freiheitsgrade im Design. 

Energieversorgung gilt als Flaschenhals smarter Implantate. Wo sehen Sie die Zukunft zwischen Batterien, Energy Harvesting, induktiver Kopplung oder Ultraschall Energieübertragung?

Unterweger: Die Energieversorgung ist tatsächlich einer der limitierenden Faktoren. Bei Systemen mit Aktorik, also etwa Pumpen oder mechanischen Komponenten, ist der Energiebedarf erheblich. Klassische Implantate wie Herzschrittmacher setzen deshalb weiterhin auf Batterien, die mit einem relativ einfachen chirurgischen Eingriff zugänglich sind und bei Bedarf ausgetauscht werden können.
Bei reiner Sensorik sind auch passive Systeme möglich, etwa über NFC. Der Sensor wird dann nur ausgelesen, wenn von außen Energie eingekoppelt wird. Drahtlose Energieübertragung ist prinzipiell denkbar, bringt aber neue sicherheitstechnische Herausforderungen mit sich. Jede externe Kopplung ist potenziell auch ein Angriffsvektor.
Der Trend geht deshalb klar zu extrem energieeffizienten Systemen und zur Weiterentwicklung miniaturisierter Feststoffbatterien. Für hochinvasive Systeme wird man die Energieversorgung weiterhin an gut zugängliche Stellen auslagern.

Wie weit sind energieautarke Implantate, die Körperbewegung oder andere physiologische Gradienten nutzen?

Unterweger: Für Anwendungen mit sehr geringem Energiebedarf halte ich das für realistisch. Man kann sich durchaus vorstellen, dass etwa die Bewegung des Körpers oder elektrische Signale genutzt werden, um kontinuierlich kleine Energiemengen bereitzustellen. Es gibt intensive Forschung an sogenannten Energy-Harvesting Systemen im Kontext von Implantaten. Dazu zählen folgende Arten u. a.:

• mechanisch: piezoelektrisch, triboelektrisch (Bewegung, Vibration)
• thermisch: Temperaturgradient Körper ↔ Umgebung
• elektrisch/biochemisch: Biofuel Cells (Glukose, Sauerstoff)
• elektrophysiologisch: Nutzung vorhandener Feldänderungen (sehr begrenzt)

Aber mit all diesen Systemansätzen kann man nur kleinere Energiebedarfe decken. Für energieintensive Anwendungen reicht das nicht aus. Es ist eher eine Ergänzung als eine vollständige Lösung.

Viele Smart Implantat Konzepte setzen auf KI Auswertung großer Datenmengen. Erfolgt die Intelligenz eher im Implantat selbst oder in der Cloud?

Unterweger: Für reine Sensorik ist eine nachgelagerte Auswertung durchaus sinnvoll, etwa um Krankheitsverläufe besser zu verstehen oder Therapien zu optimieren. Eine direkte Cloud Anbindung implantierter Systeme halte ich jedoch für problematisch. Hier sind viele ethische und sicherheitstechnische Fragen noch nicht geklärt.
Sinnvoller sind mehrstufige Architekturen, bei denen Implantate nicht direkt mit der Cloud kommunizieren. Cybersecurity Konzepte müssen integraler Bestandteil solcher Systeme sein – und stehen aktuell noch ganz am Anfang.

Abschließend ein Blick in die Zukunft: Wie wird sich der Alltag eines Patienten mit einer chronischen Erkrankung in fünf Jahren verändern?

Unterweger: Die Veränderungen werden eher schrittweise als disruptiv sein. Innovationen in der Medizintechnik brauchen Zeit – auch weil Fragen der Finanzierung und Erstattung geklärt wer-den müssen. In den nächsten fünf bis zehn Jahren erwarte ich vor allem Fortschritte auf der Sensorikseite: mehr kontinuierliche Messungen, bessere Verlaufsdaten und eine engere Begleitung von Therapien.
Therapeutische Aktorik wird folgen, aber langsamer. Der Weg führt über kleine, gut abgesicherte Schritte – und genau das ist aus meiner Sicht auch der richtige Ansatz.