Ein Durchbruch in der Medizintechnik könnte die Zukunft implantierbarer medizinischer Geräte (IMDs) wie Herzschrittmacher oder Neurostimulatoren verändern. Ingenieure der North Carolina State University haben ein neues System entwickelt, das drahtlose Ultraschall-Energieübertragung ohne externe Stromquellen ermöglicht. Die Ergebnisse, veröffentlicht am 23. April 2025 in Microsystems & Nanoengineering (DOI: 10.1038/s41378-025-00902-w), zeigen, wie ein innovativer kapazitiver mikromechanischer Ultraschallwandler (CMUT) die Abhängigkeit von Batterien überwindet und chirurgische Eingriffe zur Batteriewechsel reduziert.
Herkömmliche IMDs sind auf Batterien angewiesen, deren begrenzte Lebensdauer regelmäßige Austauschoperationen erfordert. Alternative drahtlose Energieübertragungsmethoden wie induktive oder elektromagnetische Kopplung scheitern oft an geringer Gewebedurchdringung, Ausrichtungsproblemen oder Sicherheitsrisiken. Ultraschallbasierte Energieübertragung bietet Vorteile durch tiefes Gewebereichweite und ein sicheres Profil, doch waren bisherige CMUT-Systeme von externen Gleichstromvorspannungen abhängig, was ihre Implantation erschwerte. Zudem werfen bleihaltige piezoelektrische Materialien Biokompatibilitätsfragen auf.
Das neue CMUT-Design umgeht diese Probleme durch einen integrierten Ladungsspeicherkondensator, der nach einmaligem Aufladen vor der Implantation jahrelang funktioniert. Tests ergaben eine maximale Leistung von 10,1 mW bei einer Rekord-Energieumwandlungseffizienz von 29,7 %, was neue Maßstäbe für biomedizinische Anwendungen setzt. Das Gerät nutzt eine schwebende Elektrode zwischen zwei festen Elektroden, die durch Ultraschalldruck und eine initiale Gleichspannung Ladung speichert. Danach wandelt es Ultraschallwellen bei 2,45 MHz stabil in elektrische Energie um, ohne Leistungsverlust und innerhalb der FDA-Sicherheitsgrenzen.
Die Architektur des CMUT, mit Vakuumkapselung und ladungserhaltender Isolierung, gewährleistet eine zuverlässige, leckagefreie Stromversorgung für den Langzeiteinsatz. Dies macht es ideal für Geräte wie Herzschrittmacher, Defibrillatoren oder Medikamentenpumpen. Die Forscher planen, die Technologie durch 2D-CMUT-Arrays weiterzuentwickeln, um Ausrichtungsprobleme zu lösen und die Leistung durch maßgeschneiderte Schaltungen zu steigern.
Diese Innovation verspricht kompakte, batterielose Implantate, die Patientenkomfort erhöhen, chirurgische Risiken minimieren und die Entwicklung zukünftiger bioelektronischer Geräte vorantreiben. Die Technologie könnte die Medizintechnik nachhaltig prägen, indem sie langlebige, sichere und effiziente Energiequellen für Implantate bereitstellt.
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