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Das von Heraeus entwickelte biokompatible Materialsystem ermöglicht neue Anwendungen in der minimalinvasiven Chirurgie. Die CerMet genannte Verbindung von Metall (Platin) und Keramik (Aluminiumoxid) ergibt einen hochdichten und extrem robusten Werkstoff, mit dem sich Leiterbahnen relativ einfach mittels automatisierter Prozesse in sehr kleinen Keramikkomponenten darstellen lassen.
Jens Trötzschel, Vice-President Advanced Technologies bei Heraeus Medical Components, erläutert im Gespräch mit der Redaktion die Bedeutung von CerMet für die Entwicklung neuer medizintechnischer Systeme.

MED: Herr Trötzschel, mit CerMet hat Heraeus ein System aus Werkstoff und Verfahren entwickelt. Welche Vorteile bringt das Kompositmaterial?

Jens Trötzschel: Aktive medizinische Implantate, die in den menschlichen Körper eingebracht werden, nehmen elektrische Signale und Bioströme auf oder geben elektrische Signale ab - wie etwa der Herzschrittmacher. Um den Träger solcher Implantate vor den teilweise toxisch wirkenden Stoffen elektrischer Komponenten wie zum Beispiel Batterien zu schützen, werden diese Komponenten meist in Gehäuse aus Titan eingekapselt. Die elektrischen Signale gibt das medizinische Gerät über eine Feedthrough genannte Schnittstelle ab. Diese Durchführungen werden manuell in einem aufwendigen Prozess hergestellt, wobei Metalldrähte aus Tantal, Niob oder Platin unter Zusatz eines Goldlotes mit einem keramischen Isolationskörper verlötet werden. Ein seit Jahrzehnten eingesetztes Verfahren, das jedoch Nachteile hat. Beispielsweise lassen sich die Komponenten nicht beliebig verkleinern. Auch ist die Anzahl der einzulötenden Pins bei dieser Technologie begrenzt. Derzeit ist es nicht möglich, Feedthroughs mit 100 oder mehr Pins zu realisieren. Gleichzeitig steigt mit der Anzahl der verlöteten Pins auch die Gefahr fehlerhafter Lötstellen und damit die Ausschussrate. Ist auch nur eine einzige Lötstelle schadhaft, so ist die gesamte Komponente unbrauchbar.
Ferner wäre ein automatisierter Herstellprozess für solche Feedthroughs nicht wirtschaftlich, weil die Stückzahl der kleinen und sehr sensiblen Komponenten relativ zum Automatisierungsaufwand nicht ausreichend hoch ist. Die seit Jahrzehnten eingesetzte Feedthrough-Technikwird damit zunehmend zu einem hemmenden Faktor für die Miniaturisierung und für weitere Innovationen im Bereich aktiver medizinischer Implantate. Diese Beschränkung wollen wir mit unserer CerMet Technologie eliminieren.

MED: Das biokompatible Materialsystem CerMet wurde auf Basis einer bestehenden Technologie entwickelt, der HTCC (High Temperature Cofired Ceramics, dt. Hochtemperatur-Mehrlagenkeramik) Technologie. Wie wurde dabei vorgegangen?

Jens Trötzschel: Es gibt bereits eine Anzahl an Metall-Keramik Werkstoffen. Diese kommen in unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz. Zum Beispiel werden Molybdän CerMets in der Lichtindustrie und Gold-CerMets in der der Schmuckindustrie verwendet. Diese CerMets haben jedoch häufig einen signifikanten Glasanteil oder nicht biokompatible Metallbestandteile.
Hier unterscheidet sich unser Materialsystem. Es ist uns gelungen, durch sehr umfangreiche Untersuchungen hochreines Aluminiumoxid und Platin zu verbinden. Diese Materialien sind inert und zeigen keine chemische Reaktion. Deshalb haben wir die Partikelgrößen, die Partikelgrößenverteilungen und die Partikelformen untersucht um den optimalen Punkt zu finden, wo sich die Platin- und Aluminiumpartikel ohne Zusatzstoffe im Wesentlichen also formschlüssig verbinden lassen. Infolgedessen sind wir in der Lage, eine hermetisch dichte, feste und strukturell einheitliche Metallkeramik herzustellen, die leitfähige Durchgänge bietet. Dabei wirkt die keramische Phase isolierend während die Platinpartikel die elektrische Leitfähigkeit gewährleisten. Es kommt darauf an, dass die Dichte der Platinpartikel ausreichend ist, um elektrische Ströme zu leiten, ohne die Keramikmatrix zu „stören“.

MED: Welche Vorteile bietet das biokompatible System im Detail?

Jens Trötzschel: Die Medizinprodukte, die wir heute einsetzen, müssen immer kleiner werden, um minimalinvasive Eingriffe zu ermöglichen und um das Risiko einer Abwehrreaktion durch den Körper möglichst gering zu halten. Darüber hinaus bieten Medizinprodukte mit einem geringeren Volumen auch weniger Oberfläche, auf der sich Bakterien ansiedeln können.
Damit verringert sich mit der Größe der medizintechnischen Geräte auch das Risiko postoperativer Infektionen. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Funktionen der Devices. So spielt bei einem sehr kleinen Medizinprodukt jeder nutzbare Bruchteil eines Millimeters eine entscheidende Rolle.
Schließlich lässt sich eine Therapie nur dann gezielter platzieren, wenn man den optimalen Ort für diese Therapie oder z.B. Stimulation auch selektieren kann. Aus diesem Grunde werden immer mehr Kanäle für die Sammlung von Informationen benötigt. Ein Bedarf der mit der CerMet Technologie erfüllt werden kann. Hinzu kommt der Aspekt der Sicherheit. Hier bietet der Werkstoff CerMet den Vorteil, dass redundante Kanäle vorgesehen werden können und nun nicht mehr zu Lasten der Gerätegröße gehen. Fällt der Kommunikationskanal einer Funktion aus, steht ein weitere rKanal zur Verfügung, so dass das medizinische Gerät weiterhin im Körper verbleiben kann. Außerdem lassen sich mit CerMet dreidimensionale Strukturen verwirklichen: Bislang hatte eine Durchführung einen Eingang und einen Ausgang. Der neue Werkstoff erlaubt jedoch durch den Schichtaufbau auch Abzweigungen und somit einen Eingangspunkt mit mehreren Ausgangspunkten. Die vertikale elektrische Verbindung ist somit äußerst flexibel, wodurch Designern von Medizinprodukten vollkommen neue ergonomischere Gestaltungsmöglichkeiten offenstehen.

MED: Und wie sieht es mit den Verfahren zur Herstellung aus?

Jens Trötzschel: Mittels automatisierter Batch- oder Waferscale-Prozesse lassen sehr viele elektrische Durchführungen in sehr kleinen Keramikkomponenten einbringen. Dazu werden mit computergesteuerten Maschinen kleine Löcher in eine „green tape“ genannte dünne, noch nicht gebrannte Keramikfolie eingestanzt und anschließend mittels Siebdruckprozess, dem sogenannten Screenprinting, gefüllt. Die Anzahl der Via genannten Durchführungen hängt vom Durchmesser und dem Abstand der einzelnen Vias ab. Aktuell werden Vias mit einem Durchmesser zwischen 100μm und 800μm bei einem Abstand von derzeit 250μm und 150μm erzielt. Abhängig vom Design eines Devices lassen sich derzeit Dichten bis zu 1.000 Vias pro qcm realisieren.

MED: Können Sie uns Anwendungsbeispiele nennen, die auf dieser Technologie basieren?

Jens Trötzschel: Da sind beispielsweise Mikroimplantate für das Ohr oder miteinander interagierende Mikroimplantate, die an unterschiedlichen Stellen im Körper eingesetzt werden. Zugleich ist esmöglich, bestehende Behandlungsverfahren zu verbessern und neue, bislang nicht durchführbare Therapien zu entwickeln. Heraeus ist hier übrigens auch im Rahmen des vom BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) geförderten INTAKT Projektes aktiv. Bei diesem Projekt geht es darum neue Wege und Möglichkeiten für die Interaktion zwischen Mensch und Implantat aufzuzeigen.

MED: Heraeus hat die CerMet Technologie im Jahr 2015 erstmals während einer Messe der Öffentlichkeit vorgestellt. Wie wird der Werkstoff von den Marktteilnehmern mittlerweile angenommen?

Jens Trötzschel: Die Technologie wurde branchenweit mit großem Interesse aufgenommen und wir haben inzwischen Entwicklungsaufträge für konkrete Produkte erhalten. Zukünftige Anwendungsbeispiele sind vielfältig und liegen beispielsweise im Bereich von Retinaimplantate und Schnittstellen zu Nerven oder zum Gehirn. Solche Anwendungen greifen Signale direkt im Gehirn bzw. dem Nervensystem ab. Hierzu sind extrem viele Kommunikationskanäle erforderlich. Retina Implantate haben aktuell beispielsweise etwa 60 Kanäle, wobei die nächste Generation weitaus mehr Kanäle haben wird. Neuroschnittstellen haben heute 80 bis 100 Kanäle. Zukünftige Geräte sollen etwa 1.000 Kanäle aufweisen.
Das Fernziel liegt sogar bei 10.000 Kanäle, um Ärzten ein immer besseres Bild von den Abläufen im menschlichen Nervensystem zu geben und diese Signale dann auch zu nutzen, um zum Beispiel Querschnittsgelähmten ihre Körperfunktionen wenigstens teilweise wieder zurückgeben zu können. Für etablierte Geräte wie zum Beispiel Herzschrittmachen ist die bislang genutzte, jahrzehntealte Feedthrough Technologie noch ausreichend. Aber auch die Hersteller solcher Geräte kommen auf uns zu und informieren sich überCerMet. Für solche Anwendungen ist die Technologie vor allem wegen ihrer Zuverlässigkeit interessant aber auch weil CerMet basierte Komponenten einen weitgehend automatisierten Zusammenbau von aktiven Implantaten und damit eine teilweise erhebliche Kosteneinsparung ermöglichen werden.

MED: Herr Trötzschel, wir sind gespannt auf die zukünftigen Entwicklungen. Vielen Dank für das Gespräch.

Das Gespräch führte Carola Tesche

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