DE102018218686A1 - Device for extra- or intracorporeal application to or in a human or animal body for influencing and / or sensory detection of a local biological environment - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur extra-oder intrakorporalen Applikation an oder in einem menschlichen oder tierischen Körper zur Beeinflussung und/oder sensorischen Erfassung eines lokalen biologischen Milieus, mit einer flächigen, bioverträgliches Material aufweisenden Trägerstruktur und eine Trägerstrukturoberfläche aufweist, an der eine Elektrodenstruktur aufgebracht ist, die zumindest zwei jeweils einen lateralen Abstand zueinander aufweisende Elektrodenelemente aufweist, die das biologische Milieu gemeinsam mit der Trägerstrukturoberfläche lokal zu begrenzen vermag, sowie mit einer an oder in der Tragstruktur angeordneten Elektronikeinheit, die die Elektrodenstruktur elektrisch kontaktiert und eine vorgebbare elektrische Spannung zwischen den wenigstens zwei Elektrodenelementen zur Ausbildung jeweils als Elektrode und Gegenelektrode appliziert.The invention relates to a device for extra- or intracorporeal application to or in a human or animal body for influencing and / or sensory detection of a local biological environment, with a flat, biocompatible material having a support structure and having a support structure surface to which an electrode structure is applied , which has at least two electrode elements each having a lateral spacing from one another, which together with the surface of the support structure can locally limit the biological milieu, and with an electronics unit arranged on or in the support structure, which makes electrical contact with the electrode structure and a specifiable electrical voltage between the at least one two electrode elements to form each applied as an electrode and counter electrode.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur extra-oder intrakorporalen Applikation an oder in einem menschlichen oder tierischen Körper zur Beeinflussung und/oder sensorischen Erfassung eines lokalen biologischen Milieus.The invention relates to a device for extra- or intracorporeal application to or in a human or animal body for influencing and / or sensory detection of a local biological environment.

Stand der TechnikState of the art

Ein zentrales Forschungs- und Therapieziel auf dem medizinischen Gebiet der Tumortherapie sowie auch der Wundtherapie besteht in einer möglichst gezielten Behandlung von sich im Körper durch unkontrollierte Proliferation, d.h. Zellteilung, vermehrenden und ausbreitenden Tumorzellen oder Zellen aus dem Wundgebiet ohne oder weitgehend ohne eine damit verbundene Irritation umliegender, gesunder Gewebebereiche sowie gesundheitliche Belastung des zu behandelnden Patienten.A central research and therapy goal in the medical field of tumor therapy as well as wound therapy is the most targeted treatment of oneself in the body through uncontrolled proliferation, i.e. Cell division, multiplying and spreading tumor cells or cells from the wound area without or largely without an associated irritation of surrounding, healthy tissue areas as well as health burden of the patient to be treated.

So vermögen insbesondere Tumorzellen das interzelluläre Milieu in ihrer unmittelbaren zellulären Umgebung durch metabolisch bedingtes Verändern des pH-Wertes derart zu beeinflussen, dass körpereigene, das Immunsystem stützende Fresszellen, bspw. die sogenannten Makrophagen, insbesondere LAK-Zellen, davon abgehalten werden auf natürlichem Wege die Tumorzellen im Wege der Phagocytose zu eliminieren. Die chemische bzw. elektrochemische Milieuänderung erfolgt durch eine lokal stattfindende Ansäuerung durch Überexpression oder Überaktivierung des Na-H-Antiporters, typischerweise bis zu einem pH-Wert von 3,5, und einer damit verbundenen Etablierung eines pH-Gradienten in der zellulären Umgebung um die Tumorzellen.Tumor cells in particular are able to influence the intercellular milieu in their immediate cellular environment by metabolically changing the pH value in such a way that the body's own phagocytes, which support the immune system, e.g. the so-called macrophages, especially LAK cells, are naturally prevented from doing so To eliminate tumor cells by phagocytosis. The chemical or electrochemical change in the environment takes place through local acidification by overexpression or overactivation of the Na-H antiporter, typically up to a pH of 3.5, and the associated establishment of a pH gradient in the cellular environment around the Tumor cells.

Gelingt es diesen Tumorzellen bedingten pH-Gradienten im Rahmen einer elektrochemischen Neutralisation oder durch eine physikalische und/oder chemische Umprogrammierung der Tumorzellen zu beseitigen, so vermögen körpereigene Abwehrmechanismen gegen das Tumorwachstum wieder anzuschlagen. Dieses Phänomen konnte der Erfinder bereits nachweisen und betrifft überdies auch weiterführende immuntherapeutische Ansätze.If these tumor cells succeed in eliminating the pH gradients caused by electrochemical neutralization or by physical and / or chemical reprogramming of the tumor cells, the body's own defense mechanisms against the tumor growth can work again. The inventor has already been able to demonstrate this phenomenon and also concerns advanced immunotherapeutic approaches.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde nach geeigneten Maßnahmen zu suchen, den vorstehend erläuterten pH-Gradienten zu beseitigen oder zumindest signifikant abzuschwächen, so dass die erläuterte, Tumorzellen bedingte oder eine durch maligne Zellen hervorgerufene und auf einem angesäuerten Umgebungsmilieu basierende Barrierewirkung für körpereigene Zellen reduziert, vorzugsweise vollständig beseitigt wird. Die hierfür erforderlichen Maßnahmen sollen ausschließlich lokal, d.h. ohne signifikante Beeinträchtigungen angrenzender Gewebebereiche und insbesondere ohne eine die Gesundheit gefährdende Belastung des Patienten greifen.The invention has for its object to look for suitable measures to eliminate or at least significantly weaken the pH gradient explained above, so that the explained barrier effect for the body's own cells, caused by tumor cells or caused by malignant cells and based on an acidified environmental environment, is reduced, is preferably completely eliminated. The measures required for this should only be local, i.e. without significant impairment of adjacent tissue areas and in particular without a health hazard to the patient.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.The solution to the problem on which the invention is based is specified in claim 1. Features which further develop the inventive idea in an advantageous manner are the subject matter of the subclaims and the further description, in particular with reference to the exemplary embodiments.

Die der Erfindung zugrundeliegende Idee sieht eine lokale elektrochemische Neutralisation des sauren pH-Gradienten in der unmittelbaren zellulären Umgebung des Tumorgewebes vor, durch Anbringen einer lösungsgemäßen Vorrichtung am Tumorgewebe, die in der Lage ist Sauerstoff innerhalb der das Tumorgewebe unmittelbar umgebenden Extrazellulärflüssigkeit zu erzeugen und dadurch das lokale biologische Milieu lokal zu beeinflussen. Alternativ oder in Kombination vermag die lösungsgemäße Vorrichtung im Wege einer kontrollierten und lokal wirkenden elektrischen Spannungsapplikation die zellspezifische Polarität der Zellenoberfläche in Richtung stärker negativer Transmembranpotenziale zu verändern bzw. vollständig umzupolarisieren, wodurch eine Art elektrodynamische bzw. elektronische Umprogrammierung erzielbar ist, die ebenfalls durch ladungsspezifische Blockade der Natrium/Proton-Antiporter zum Abbau der pH Gradienten beitragen kann.The idea on which the invention is based provides for a local electrochemical neutralization of the acidic pH gradient in the immediate cellular environment of the tumor tissue, by attaching a device according to the solution to the tumor tissue, which is capable of producing oxygen within the extracellular fluid immediately surrounding the tumor tissue and thereby to influence local biological milieu locally. Alternatively or in combination, the device according to the solution can change or completely re-polarize the cell-specific polarity of the cell surface in the direction of more negative transmembrane potentials by means of a controlled and locally acting electrical voltage application, as a result of which a type of electrodynamic or electronic reprogramming can be achieved, which is likewise due to charge-specific blocking the sodium / proton antiporter can help break down the pH gradient.

Neben der vorstehend genannten intrakorporalen Anwendung der Vorrichtung eignet sich die lösungsgemäße Vorrichtung gleichsam auch für eine extrakorporale Anwendung zum Zwecke der Unterstützung des Wundheilungsprozesses insbesondere bei Hautverletzungen. In diesem Fall ist die lösungsgemäße Vorrichtung in Art eines an der Hautoberfläche anhaftenden und die Wundstelle lokal überdeckenden Pflasters ausgebildet und vermag in gleicher Weises das biologische Milieu unmittelbar an der Wundstelle in einer den Wundheilungsprozess unterstützenden Weise zu beeinflussen.In addition to the above-mentioned intracorporeal use of the device, the device according to the solution is also suitable for extracorporeal use for the purpose of supporting the wound healing process, in particular in the case of skin injuries. In this case, the device according to the solution is designed in the manner of a plaster adhering to the skin surface and locally covering the wound site and, in the same way, is able to influence the biological environment directly at the wound site in a manner that supports the wound healing process.

Die lösungsgemäße Vorrichtung weist zur intra- oder extrakorporalen Applikation in bzw. an einem menschlichen oder tierischen Körper zur Beeinflussung und/oder zur sensorischen Erfassung eines lokalen biologischen Mediums eine flächige, bioverträgliches Material aufweisende Trägerstruktur mit einer Trägerstrukturoberfläche auf, an der eine Elektrodenstruktur angebracht ist, die zumindest zwei, jeweils einen lateralen Abstand zueinander aufweisende Elektrodenelemente aufweist, die vorzugsweise länglich in Art unstrukturierter oder strukturierter Fingerelektroden ausgebildet sind und die das biologische Milieu gemeinsam mit der Tragstrukturoberfläche lokal zu begrenzen vermag. Ferner ist an der Tragstruktur eine Elektronikeinheit angebracht, die die Elektrodenstruktur elektrisch kontaktiert und eine vorgebbare elektrische Spannung zwischen den wenigstens zwei Elektrodenelementen zur Ausbildung jeweils als Elektrode und Gegenelektrode appliziert.For intra- or extracorporeal application in or on a human or animal body for influencing and / or for sensory detection of a local biological medium, the device according to the solution has a flat, biocompatible material carrier structure with a carrier structure surface to which an electrode structure is attached, which has at least two electrode elements, each having a lateral spacing from one another, which are preferably elongated in the manner of unstructured or structured finger electrodes and which, together with the support structure surface, can locally limit the biological environment. Furthermore, the Carried structure an electronics unit attached, which makes electrical contact with the electrode structure and applies a predetermined electrical voltage between the at least two electrode elements to form each as an electrode and counter electrode.

Vorzugsweise verfügt die Trägersubstratoberfläche über ein mittel- oder unmittelbar an die Elektrodenstruktur lateral angrenzendes Mittel, das geeignet zum Fügen an einer biologischen Gewebeoberfläche ausgebildet ist.The carrier substrate surface preferably has a means which directly or laterally adjoins the electrode structure and which is suitable for joining to a biological tissue surface.

Die an die Elektrodenstruktur applizierbare elektrische Spannung erzeugt zwischen Elektrode und Gegenelektrode ein elektrisches Feld, das innerhalb einer Extrazellulärflüssigkeit, die intrakorporal sowohl ein Tumorzellengewebe umgibt oder im Wundbereich einer Hautwunde extrakorporal austritt und im Wesentlichen aus Wasser und Elektrolyten besteht, in Abhängigkeit der gewählten Feldstärke einen Elektrolyseprozess auszulösen vermag, durch den Sauerstoff freigesetzt wird. Beträgt die an die Fingerelektrodenstruktur applizierte elektrische Potentialdifferenz typischerweise 1V oder mehr, so spaltet sich aus dem Wasseranteil der Extrazellulärflüssigkeit Sauerstoff ab, der chemisch reduziert wird und im Falle einer Tumorzellenbekämpfung zur Neutralisation des lokal vorherrschenden sauren Milieus beiträgt und im Falle einer Wundheilung zumindest das Endzündungsrisiko reduziert.The electrical voltage that can be applied to the electrode structure creates an electric field between the electrode and the counterelectrode, which, depending on the field strength selected, consists of an extracellular fluid that intracorporeally surrounds both a tumor cell tissue or extracorporeally in the wound area of a skin wound and consists essentially of water and electrolytes can trigger, through which oxygen is released. If the electrical potential difference applied to the finger electrode structure is typically 1 V or more, oxygen is split off from the water portion of the extracellular fluid, which is chemically reduced and, in the case of tumor cell control, contributes to the neutralization of the locally predominant acidic environment and at least reduces the risk of inflammation in the event of wound healing .

Der so erzeugte Sauerstoff startet über intrinsische zelluläre Sensoren - überwiegend vermittels Hypoxie-induzierter Faktor, kurz Hif - die vollständige Durchführung der Glycolyse, so daß die metabolischen Endprodukte der Zelle zu H2O und CO2 geführt werden können und die pH Gradienten sich ausgleichen.The oxygen generated in this way starts the complete implementation of glycolysis via intrinsic cellular sensors - predominantly by means of hypoxia-induced factor, or Hif for short - so that the metabolic end products of the cell can be led to H 2 O and CO 2 and the pH gradients balance out.

In einer bevorzugten Ausführungsform der lösungsgemäßen Vorrichtung ist die Elektrodenstruktur auf der Trägersubstratoberfläche in Form einer Interdigitalelektrodenstruktur ausgebildet, die vorzugsweise im Rahmen eines Druckvorganges auf die Trägerstrukturoberfläche aufgebracht wird.In a preferred embodiment of the device according to the solution, the electrode structure on the carrier substrate surface is in the form of an interdigital electrode structure, which is preferably applied to the carrier structure surface in the course of a printing process.

Form und Größe sowohl der auf der Trägersubstratoberfläche aufgebrachten Interdigitalelektrodenstruktur sowie auch der Trägerstruktur selbst richten sich vornehmlich nach der Dimension sowie der räumlichen Ausprägung des mit Sauerstoff lokal zu beaufschlagenden Therapiebereiches, dessen Oberfläche wenige mm2 und darunter bis hin zu vielen cm2 oder einigen dm2 messen kann. So kann die Trägerstrukturoberfläche je nach spezifischen therapeutischen Gegebenheiten eben ausgebildet sein oder beliebige Freiformoberflächen annehmen, um so einen möglichst konturgetreuen flächenkontakt zwischen der intra- oder extrakorporalen Oberfläche und der mit der Interdigitalelektrodenstruktur versehenen Trägersubstratoberfläche zu ermöglichen. Insbesondere in Fällen ausgeräumter Tumor- oder Metastasenbereiche eigenen sich hochflexible Trägerstrukturen, um einen engen Flächenkontakt zwischen der auf der Trägerstruktur aufgebrachten Elektrodenstruktur und den gutartigen Gewebebereichen herzustellen. In diesen Fällen werden die zu behandelnden Gewebebereiche abgeformt. Die dabei erhaltenen Freiformkörper werden mit der hochflexiblen Trägerstruktur oberflächig belegt. Beispielsweise bei der Behandlung von sich zumeist sphärisch ausbildenden Hirntumore wird die mehr oder minder konkav kugelförmige Resektionsstelle mit einer sphärisch geformten Trägerstruktur belegt, um so eine möglichst gute Passung zwischen der Elektrodenstruktur zum umliegenden, gutartigen Gewebe zu bekommen. Bei Hirntumoren spielt neben der O2 Generation vielmehr die Abgabe von elektrischen Potenzialen zur Steuerung des Metabolismus eine wichtige Rolle. The shape and size of both the interdigital electrode structure applied to the carrier substrate surface and the carrier structure itself depend primarily on the dimension and the spatial characteristics of the therapy area to be locally exposed to oxygen, the surface area of which ranges from a few mm 2 and below to many cm 2 or a few dm 2 can measure. Thus, depending on the specific therapeutic conditions, the support structure surface can be flat or can take any free-form surfaces, in order to enable a surface contact between the intra- or extracorporeal surface and the support substrate surface provided with the interdigital electrode structure that is as true to the contour as possible. Particularly in the case of cleared tumor or metastatic areas, highly flexible support structures are suitable in order to establish close surface contact between the electrode structure applied to the support structure and the benign tissue areas. In these cases, the tissue areas to be treated are molded. The free-form bodies obtained are covered on the surface with the highly flexible support structure. For example, in the treatment of mostly spherical brain tumors, the more or less concave spherical resection site is covered with a spherically shaped support structure in order to get the best possible fit between the electrode structure and the surrounding benign tissue. In the case of brain tumors, in addition to the O 2 generation, the release of electrical potentials for controlling the metabolism plays an important role.

Die lösungsgemäße Vorrichtung lässt sich nahezu beliebig skalieren, d.h. vom Submillimeter-Bereich bis hin zu großflächigen Dimensionen, die sich nach den jeweiligen durch den zu behandelnden Patienten ergonomisch vorgegebenen Verhältnissen richten, wie bspw. zu behandelnden extrakorporalen Hautoberflächen.The device according to the solution can be scaled almost arbitrarily, i.e. from the submillimeter range to large-scale dimensions that depend on the respective ergonomically predetermined conditions of the patient to be treated, such as, for example, extracorporeal skin surfaces to be treated.

Die Trägerstruktur ist vorzugsweise in Art eines Vlieses ausgebildet und besteht vorzugsweise aus einem Gewirke, Geflecht oder Filz aus Natur-, Kunst- oder Hohlfasern. Die Trägerstrukturoberfläche der Trägerstruktur weist vorzugsweise neben der auf ihr aufgebrachten Elektrodenstruktur wenigstens eine zusätzliche Schichtung auf, die entweder auf der Elektrodenstruktur und der Trägerstrukturoberfläche oder zwischen der Elektrodenstruktur und der Trägerstrukturoberfläche angebracht ist, biologisch verträglich, antiseptisch, elektrisch nicht leitend sein und vorzugsweise wenigstens einen medizinischen Wirkstoff enthalten kann. Diese als vorzugsweise Einwegartikel ausgebildete Schicht dient als abnehmbare Wundauflage, die nach Gebrauch verworfen werden kann. Die in diesem Fall als Verschleißteil ausgebildete dünne Schicht, ist vorzugsweise als Flies von entsprechender Porosität und Saugkraft ausgebildet, das aber gleichzeitig O2 durchlässt ist und/oder über die Feldgradienten eine Steuerung bzw. elektrostatische oder elektrodynamische Beeinflussung des Gewebes gestattet.The carrier structure is preferably designed in the manner of a fleece and preferably consists of a knitted fabric, braid or felt made of natural, synthetic or hollow fibers. The support structure surface of the support structure preferably has, in addition to the electrode structure applied to it, at least one additional layer, which is applied either on the electrode structure and the support structure surface or between the electrode structure and the support structure surface, is biologically compatible, antiseptic, electrically non-conductive and preferably at least one medical May contain active ingredient. This layer, which is preferably a disposable article, serves as a removable wound dressing that can be discarded after use. The thin layer in this case, designed as a wearing part, is preferably designed as a fleece with a corresponding porosity and suction force, but which at the same time is permeable to O 2 and / or permits control or electrostatic or electrodynamic influencing of the tissue via the field gradients.

Gleichsam bieten sich mikrosystemtechnisch gebräuchliche Trägerstrukturen an, in Fällen, in denen die lösungsgemäße Vorrichtung bspw. in Form eines Mikro-Chips dimensioniert ist. In diesen Fällen bieten sich gängige Wafermaterialien, vorzugsweise Silizium oder Keramiken, als Grundmaterial für die Trägerstruktur an.At the same time, support structures which are customary in microsystems technology lend themselves in cases in which the device according to the solution is dimensioned, for example, in the form of a microchip. In these cases, common wafer materials, preferably silicon or ceramics, are suitable as the base material for the carrier structure.

Auch ist es denkbar die Trägerstruktur als Körper mit einer dreidimensionalen Freiformfläche auszubilden, die bspw. im Wege generativer Fertigungsverfahren herstellbar ist. Auf diese Weise können beliebig geformte Oberflächenformen, bspw. sphärische oder zylinderförmige o.ä., realisiert werden, die an patientenspezifische extra- oder intrakorporale Gewebeformen angepasst sind und so einen idealen Flächenkontakt zwischen der Trägersubstratoberfläche und einem zu therapierenden Gewebebereich herstellen. It is also conceivable to design the support structure as a body with a three-dimensional free-form surface, which can be produced, for example, by means of additive manufacturing processes. In this way, arbitrarily shaped surface shapes, for example spherical or cylindrical or the like, can be realized, which are adapted to patient-specific extra- or intracorporeal tissue shapes and thus produce ideal surface contact between the carrier substrate surface and a tissue area to be treated.

Die auf der Trägerstrukturoberfläche aufgebrachte Fingerelektrodenstruktur besteht vorzugsweise aus einem metallisch gut leitenden Material, wie beispielsweise Gold, Silber, Platin oder Palladium, gleichwohl können auch alternative elektrisch leitende Materialien verwendet werden, wie beispielsweise Graphen, Graphen Analoga oder elektrisch leitfähige biokompatible Polymere.The finger electrode structure applied to the surface of the carrier structure preferably consists of a metallic, highly conductive material, such as gold, silver, platinum or palladium, however alternative electrically conductive materials can also be used, such as graphene, graphene analogues or electrically conductive biocompatible polymers.

Um eine möglichst dauerhafte Anhaftung der Tragstruktur an einer biologischen Gewebeoberfläche, die im vorstehenden Fall beispielsweise einer Tumorzellenoberfläche oder Hautoberfläche entspricht, zu gewährleisten, ist an der Tragstruktur ein Mittel zum Fügen an einer biologischen Gewebeoberfläche vorgesehen. Vorzugsweise ist hierzu zumindest bereichsweise die Tragstrukturoberfläche mit einer bioverträglichen, Adhäsionsschicht versehen, durch die die Tragstruktur flächig an der biologischen Gewebeoberfläche anhaftet. Alternativ oder in Kombination sind auch andere Fügemittel denkbar, wie beispielsweise mechanische Fixierungen in Form von Klammern, chirurgischen Fäden etc.In order to ensure that the support structure adheres as permanently as possible to a biological tissue surface, which in the above case corresponds, for example, to a tumor cell surface or skin surface, a means for joining to a biological tissue surface is provided on the support structure. For this purpose, the support structure surface is preferably provided, at least in some areas, with a biocompatible, adhesive layer, by means of which the support structure adheres flatly to the biological tissue surface. Alternatively or in combination, other joining means are also conceivable, such as mechanical fixings in the form of clips, surgical threads, etc.

Die in der Tragstruktur integrierte und mit der Elektrodenstruktur elektrisch verbundene Elektronikeinheit dient der kontrollierten Versorgung der Elektrodenstruktur mit elektrischer Spannung, die exakt vorgebbar sowohl in Hinblick auf Betrag als auch zeitlicher Modulation ist. Vorzugsweise umfasst die Elektronikeinheit einen elektrischen Energiespeicher in Form einer Batterie, eines Akkus oder eines Kondensators, gleichwohl ist es möglich, den elektrischen Energiespeicher in Form einer Induktionsspule auszubilden, in die kontaktlos mit Hilfe einer separaten externen Sendespule elektrische Signale sowie auch Energie einkoppelbar sind.The electronics unit integrated in the support structure and electrically connected to the electrode structure is used for the controlled supply of electrical voltage to the electrode structure, which can be specified precisely with regard to amount as well as time modulation. The electronic unit preferably comprises an electrical energy store in the form of a battery, a rechargeable battery or a capacitor, but it is nevertheless possible to design the electrical energy store in the form of an induction coil into which electrical signals and also energy can be coupled in contactlessly with the aid of a separate external transmitter coil.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht neben der Elektronikeinheit eine an der Tragstruktur angebrachte Mikropumpeneinheit mit wenigstens einem Wirkstoffreservoir vor, wobei die Elektronikeinheit mit der Mikropumpeneinheit derart in Signalaustausch steht, so dass die Mikropumpeneinheit zur dosierten Abgabe wenigstens eines bevorrateten Wirkstoffes in den Bereich der Elektrodenstruktur aktivierbar ist.A further preferred embodiment provides, in addition to the electronics unit, a micropump unit with at least one active substance reservoir attached to the support structure, the electronics unit being in signal exchange with the micropump unit in such a way that the micropump unit can be activated for the metered delivery of at least one stored active substance into the area of the electrode structure.

Alternativ zur integralen Ausgestaltung der Mikropumpeneinheit und der Trägerstruktur ist es ebenso denkbar, die Mikropumpeneinheit separat zur Trägerstruktur auszubilden und diese über wenigstens eine Fluidleitung mit der Trägerstruktur zur lokalen Versorgung und Abgabe des wenigstens einen Wirkstoffes in den Bereich der Elektrodenstruktur zu verbinden. Auch in diesem Fall dient die an der Trägerstruktur angebrachte Elektronikeinheit zur Ansteuerung und kontrollierten Aktivierung der separat zur Trägerstruktur ausgebildeten Mikropumpeneinheit.As an alternative to the integral configuration of the micropump unit and the carrier structure, it is also conceivable to design the micropump unit separately from the carrier structure and to connect it via at least one fluid line to the carrier structure for local supply and delivery of the at least one active substance into the area of the electrode structure. In this case too, the electronics unit attached to the support structure serves to control and activate the micropump unit which is formed separately from the support structure.

In einer weiteren Ausführungsform ist mittel- oder unmittelbar an der Trägerstruktur ein Gasreservoir oder ein Gasgenerator in Form einer Gaszelle angebracht, das bzw. der derart ausgebildet und angeordnet ist, dass das Gasreservoir bzw. die Gaszelle vermittels der Elektronikeinheit zur dosierten Abgabe eines bevorrateten bzw. elektrochemisch zu erzeugenden Gases im Bereich der Elektrodenstruktur aktivierbar ist. Als Gase kommen jegliche therapeutisch wirksame bzw. das von der Tragstruktur und der biologischen Gewebeoberfläche eingeschlossene lokale biologische Milieu beeinflussende Gase in Frage, bspw. Sauerstoff, Stickstoff, N2O. Die auf der Trägerstrukturoberfläche aufgebrachte Elektrodenstruktur verfügt vorzugsweise über eine Vielzahl interdigital, jeweils abwechselnd und berührungslos ineinandergreifende, länglich ausgebildete Elektrodenelemente, die jeweils endseitig in Form einer Gegenelektrode sowie Elektrode elektrisch verbunden sind.
Längs wenigstens einer fingerförmig ausgebildeten Elektrode oder Gegenelektrode ist wenigstens eine lokale Elektrodenstruktur an- bzw. eingebracht, die pro Längenmaß in Längserstreckung eine größere Elektrodenoberfläche aufweist als das längliche Elektrodenelement im übrigen Bereich. Die wenigstens eine Struktur kann im einfachsten Fall in Form einer bloßen Elektrodenoberflächenaufrauhung ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Struktur ring-, kugel-, zick-zack- oder mäanderförmig ausgebildet und verfügt über eine glatte oder aufgeraute Elektrodenoberfläche. Durch die lokale Änderung der Oberflächengeometrie längs wenigstens eines Elektrodenelementes kommt es zur lokalen Änderung der elektrischen Feldverteilung zwischen den Elektrodenelementen der vorzugsweise als Interdigitalelektrodenstruktur ausgebildeten Elektrodenstruktur, was sich zur Sauerstoffbildung im Wege der Elektrolyse auswirkt.
In a further embodiment, a gas reservoir or a gas generator in the form of a gas cell is attached directly or indirectly to the support structure and is designed and arranged in such a way that the gas reservoir or the gas cell by means of the electronics unit for the metered delivery of a stored or can be activated electrochemically generated gas in the region of the electrode structure. Any therapeutically effective gases or gases which influence the local biological milieu enclosed by the support structure and the biological tissue surface, for example oxygen, nitrogen, N 2 O, are suitable as gases. The electrode structure applied to the support structure surface preferably has a large number of interdigital, alternating in each case and non-contact interlocking, elongated electrode elements, each of which is electrically connected at the end in the form of a counter electrode and electrode.
At least one local electrode structure is attached or introduced along at least one finger-shaped electrode or counterelectrode, which has a larger electrode surface per length dimension in the longitudinal extent than the elongated electrode element in the remaining area. In the simplest case, the at least one structure can be in the form of a bare electrode surface roughening. The structure is preferably annular, spherical, zigzag or meandering and has a smooth or roughened electrode surface. The local change in the surface geometry along at least one electrode element leads to a local change in the electrical field distribution between the electrode elements of the electrode structure, which is preferably designed as an interdigital electrode structure, which has an effect on the formation of oxygen by means of electrolysis.

Ergänzend zum erwünschten Therapieziel den erläuterten pH-Gradienten durch lokale Sauerstoffproduktion zu neutralisieren oder die Wundheilung zu unterstützen, vermag die lösungsgemäße Vorrichtung unter geeigneter Ansteuerung der auf der Trägerstrukturoberfläche aufgebrachten Elektrodenelementen durch die Elektronikeinheit auch als Sensoreinrichtung dienen, mit der es beispielsweise möglich ist, den pH-Wert und/oder einen bestimmten Gasgehalt bspw. Sauerstoffgehalt, innerhalb des von der Trägerstruktur einseitig begrenzten biologischen Milieus zu erfassen. Eine bevorzugte Ausführungsvariante der Vorrichtung zur sensorischen Erfassung des von der Trägerstruktur einseitig begrenzten lokalen biologischen Milieus sieht wenigstens ein Sensorelement vor, das wenigstens zwei als Elektrode und Gegenelektrode dienende Elektrodenelemente elektrisch lokal kontaktiert. Als Sensorelement dient Iridiumoxid, Palladiumoxid oder Aluminiumoxid, dessen elektrische Eigenschaften sich in Abhängigkeit von pH-Wert und/oder vorhandenen Gasen, bspw. O2, ändern. Diese Änderungen werden von der Elektronikeinheit mittels eines entsprechenden Prozessors erfasst. Zur Sauerstoffmessung wird zwischen den Elektrodenelementen eine elektrische Spannung vorzugsweise von ca. 650 mV angelegt.In addition to the desired therapeutic goal of neutralizing the pH gradient explained by local oxygen production or supporting wound healing, the device according to the solution, with suitable control of the electrode elements applied to the surface of the support structure by the electronics unit, can also serve as a sensor device with which it is used, for example it is possible to record the pH value and / or a certain gas content, for example oxygen content, within the biological environment that is limited on one side by the support structure. A preferred embodiment variant of the device for sensory detection of the local biological environment delimited on one side by the support structure provides at least one sensor element which makes local electrical contact with at least two electrode elements serving as electrodes and counterelectrodes. Iridium oxide, palladium oxide or aluminum oxide serves as the sensor element, the electrical properties of which change depending on the pH value and / or gases present, for example O 2 . These changes are recorded by the electronic unit using an appropriate processor. To measure oxygen, an electrical voltage of preferably about 650 mV is applied between the electrode elements.

Die vorstehend erläuterte Weiterbildung der lösungsgemäßen Vorrichtung durch Vorsehen wenigstens eines Sensorelementes ermöglicht eine regelbasierte Überwachung und Einstellung des lokalen biologischen Milieus durch kontrollierte Einflussnahme mittels kontrollierter Sauerstofferzeugung und der sensorischen Erfassung bspw. des pH-Wertes oder eines in dem biologischen Milieu enthaltenden Sauerstoffgehaltes. Der Wechsel zwischen Sauerstofferzeugung und -messung kann bei Verwendung ein und derselben Elektrodenstruktur mithilfe der Elektronikeinheit vorgegeben werden, bspw. im Rahmen einer sequentiell wechselnden Zeitabfolge. Gleichsam ist es möglich auf der Trägerstruktur zwei getrennte Elektrodenstrukturen vorzusehen, die mit der Elektronikeinheit verbunden sind, von denen eine zur O2-Erzeugung und die andere zur O2-Messung dient, wodurch eine zeitsynchrone Sauerstofferzeugung sowie -messung ermöglicht wird.The above-described development of the device according to the solution by providing at least one sensor element enables rule-based monitoring and adjustment of the local biological environment through controlled influence by means of controlled oxygen generation and sensory detection, for example the pH value or an oxygen content contained in the biological environment. The change between oxygen generation and measurement can be specified using one and the same electrode structure with the aid of the electronic unit, for example in the context of a sequentially changing time sequence. At the same time, it is possible to provide two separate electrode structures on the support structure, which are connected to the electronics unit, one of which is used for O 2 generation and the other for O 2 measurement, thereby enabling time-synchronous generation and measurement of oxygen.

Die lösungsgemäße Vorrichtung kann intrakorporal sowie auch extrakorporal eingesetzt werden. Beispielsweise lässt sich die lösungsgemäße Vorrichtung als Teil eines Pflasters oder in Form eines Pflasters ausbilden, bei dem jener mit einer an der Hautoberfläche vorhandenen Wundstelle unmittelbar in Berührung tretende Oberflächenbereich des Pflasters der erläuterten Trägerstrukturoberfläche entspricht, an der die Elektrodenstruktur angebracht ist, die mit einer innerhalb des Pflasters, d.h. der Trägerstruktur integrierten Elektronikeinheit im vorstehend erläuterten Sinne, verbunden ist. Die lösungsgemäße Vorrichtung vermag insbesondere die Wundheilung durch lokale Applikation einer zwischen der Elektrodenstruktur applizierten elektrischen Spannung im Wege einer damit verbundenen lokalen Erzeugung von Sauerstoff im Rahmen einer Elektrolyse innerhalb des seitens der Wunde abgesonderten Wundsekrets zu unterstützen. Alternativ oder in Kombination kann das lösungsgemäß ausgebildete Pflaster mit einer integral vorgesehenen Mikropumpeneinheit ergänzt sein oder mit einer separat zum Pflaster ausgebildeten Mikropumpeneinheit fluiddicht verbunden sein.The device according to the solution can be used intracorporeally and also extracorporeally. For example, the device according to the solution can be embodied as part of a plaster or in the form of a plaster, in which the surface area of the plaster that comes into direct contact with a wound site on the skin surface corresponds to the explained support structure surface to which the electrode structure is attached, which has an inner surface of the patch, ie the electronic unit integrated in the support structure in the sense explained above. The device according to the solution is able in particular to support wound healing by locally applying an electrical voltage applied between the electrode structure by means of a local production of oxygen associated therewith in the context of electrolysis within the wound secretion which is secreted by the wound. Alternatively or in combination, the plaster designed according to the solution can be supplemented with an integrally provided micropump unit or can be connected in a fluid-tight manner to a micropump unit designed separately from the plaster.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der lösungsgemäßen Vorrichtung ist die Trägersubstratoberfläche, an der die Elektrodenstruktur aufgebracht ist, hydrophil ausgebildet, d.h. die vorzugsweise vliesartige Trägerstruktur vermag die extrazelluläre Flüssigkeit, so insbesondere Wasser, aufzunehmen, wodurch die Elektrodenelemente der Elektrodenstruktur nahezu allumfassend von Flüssigkeit umgeben bzw. benetzt werden. Auf dies Weise wird die Sauerstoffproduktion im Rahmen der Elektrolyse effizient unterstützt.In a further preferred embodiment of the device according to the solution, the carrier substrate surface on which the electrode structure is applied is hydrophilic, i.e. the preferably fleece-like carrier structure is able to absorb the extracellular liquid, in particular water, so that the electrode elements of the electrode structure are almost completely surrounded or wetted by liquid. In this way, oxygen production is efficiently supported as part of the electrolysis.

In einer weiteren Ausführungsform besteht die Trägerstrukturoberfläche, auf der die Elektrodenstruktur angebracht ist, aus einem hydrophoben Material, beispielsweise aus einem Polyetheretherketon, durch das keine Flüssigkeit in das Material der Trägerstruktur und damit zur Elektronikeinheit vordringen kann, die es ansonsten, im vorstehend erläuterten Fall gegenüber Flüssigkeit entsprechend abzudichten gilt.In a further embodiment, the support structure surface on which the electrode structure is attached consists of a hydrophobic material, for example of a polyether ether ketone, through which no liquid can penetrate into the material of the support structure and thus to the electronics unit, which it would otherwise have in the case explained above Sealing liquid accordingly applies.

In einer weiteren Ausführungsform ist an und/oder in der Trägerstruktur insbesondere im Bereich der Elektrodenstruktur, d.h. vorzugsweise zwischen den Elektrodenelementen, eine Vielzahl bläschenförmiger, jeweils mit einem gasförmigen oder flüssigen Fluid gefüllte Fluidreservoire angebracht, deren Umhüllungen jeweils durch Applikation einer bestimmten elektrischen Spannung an der Elektrodenstruktur zum Platzen gebracht werden können, wodurch sich das Fluid in das biolologische Milieu ergießt. Vorzugsweise enthält das Fluid wenigstens einen medizinischen Wirkstoff mit einer therapeutisch zielfördernden Wirkung.In a further embodiment, on and / or in the support structure, in particular in the region of the electrode structure, i.e. preferably between the electrode elements, a large number of vesicular fluid reservoirs, each filled with a gaseous or liquid fluid, the envelopes of which can be burst by applying a certain electrical voltage to the electrode structure, as a result of which the fluid pours into the biological environment. The fluid preferably contains at least one medicinal active ingredient with a therapeutic target-promoting effect.

Da Elektroden im implantierten Zustand aufgrund des intrakorporalen Milieus sowie durch Zellwachstum oberflächig degradieren oder regelrecht überwachsen werden können, ist in einer weiteren Ausführungsform an der Trägerstruktur räumlich dicht neben der Elektrodenstruktur eine weitere separate Elektrodenstruktur angebracht, die als Reinigungselektroden und/oder als weitere funktionale Elektroden dienen, über die Spannungspotentiale mit vorgebbaren Pulsformen und Pulsamplituden applizierbar sind, deren elektrische Felder reinigende Wirkung an den Elektrodenstrukturoberflächen entfalten und/oder direkten Einfluß auf die elektrischen Zellmembranpotenziale unmittelbar benachbarte Zellen haben .Since electrodes in the implanted state can degrade on the surface due to the intracorporeal milieu and due to cell growth, or can literally overgrow, in a further embodiment, a further separate electrode structure is attached to the support structure in close proximity to the electrode structure, which serve as cleaning electrodes and / or as further functional electrodes , via which voltage potentials can be applied with predeterminable pulse shapes and pulse amplitudes, whose electrical fields have a cleaning effect on the electrode structure surfaces and / or have a direct influence on the electrical cell membrane potentials of directly adjacent cells.

FigurenlisteFigure list

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

  • 1 bevorzugte, lösungsgemäße Ausbildungsform
  • 2a, b Darstellung eines intra- und extrakorporalen Einsatzzweckes der Vorrichtung,
  • 3 lösungsgemäße Vorrichtung in Form eines Pflasters sowie
  • 4 lösungsgemäße Vorrichtung mit Deckschicht,
  • 5 alternative Ausgestaltung einer Elektrodenstruktur mit lokalen Strukturen sowie
  • 6 Anordnung mit einer Vielzahl lösungsgemäßer Vorrichtungen auf einem gemeinsamen Träger.
The invention is described below without restricting the general inventive concept described by way of example using exemplary embodiments with reference to the drawing. Show it:
  • 1 preferred, solution-based form of training
  • 2a, b Representation of an intra- and extracorporeal purpose of the device,
  • 3rd device according to the solution in the form of a plaster and
  • 4th device according to the invention with a covering layer,
  • 5 alternative design of an electrode structure with local structures as well
  • 6 Arrangement with a plurality of devices according to the solution on a common carrier.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION, INDUSTRIAL APPLICABILITY

1 zeigt ein lösungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit einer flächig ausgebildeten Trägerstruktur 1, vorzugsweise in Form eines Vlieses, bestehend aus einem Gewirke, Geflecht oder Filz aus einer Natur-, Kunst- oder Hohlfaser. Auf der Trägerstrukturoberfläche 2 ist eine Elektrodenstruktur 3 in Form einer Interdigitalelektrodenstruktur angebracht, mit längs ineinander greifenden, fingerartigen Elektroden 31 und Gegenelektroden 32. Die Elektrodenstruktur 3 ist mit einer in der Tragstruktur 1 integrierten Elektronikeinheit 4 elektrisch verbunden, die wenigstens eine elektrische Energiequelle sowie eine das Spannungspotential zwischen Elektroden 31 und Gegenelektroden 32 der Elektrodenstruktur 3 vorgebbare Steuereinheit umfasst. Optional kann die Elektronikeinheit 4 mit einer drahtlosen Schnittstelle versehen sein, über die ein elektrischer Signal- und/oder Energieaustausch zu einer externen Signal- oder elektrischen Energiequelle möglich ist. 1 shows an embodiment according to the solution with a flat support structure 1 , preferably in the form of a fleece, consisting of a knitted fabric, braid or felt made of a natural, synthetic or hollow fiber. On the support structure surface 2nd is an electrode structure 3rd attached in the form of an interdigital electrode structure, with longitudinally interlocking, finger-like electrodes 31 and counter electrodes 32 . The electrode structure 3rd is with one in the support structure 1 integrated electronics unit 4th electrically connected, the at least one electrical energy source and the voltage potential between electrodes 31 and counter electrodes 32 the electrode structure 3rd specifiable control unit includes. Optionally, the electronics unit 4th be provided with a wireless interface via which an electrical signal and / or energy exchange to an external signal or electrical energy source is possible.

Die vorzugsweise aus einem sehr gut leitenden Metall ausgebildete Elektrodenstruktur 3 ist im Wege eines Druckvorganges auf der Trägerstrukturoberfläche 2 der Trägerstruktur 1 aufgebracht. Selbstverständlich sind auch alternative metallische Abscheidungsverfahren, die der Fachmann kennt, zur Herstellung der Elektrodenstruktur 3 anwendbar.The electrode structure, which is preferably formed from a very good conductive metal 3rd is by means of a printing process on the surface of the support structure 2nd the support structure 1 upset. Of course, alternative metallic deposition processes known to those skilled in the art for producing the electrode structure are also possible 3rd applicable.

Ein Hauptanwendungszweck der lösungsgemäßen Vorrichtung betrifft die intrakorporale Anbringung der Vorrichtung an der Oberfläche 5 eines zellulären Tumorgewebes 6. Dies ist in 2a illustriert. Hierzu wird die Tragstrukturoberfläche 2 des Trägersubstrates 1 vorzugsweise randseitig vermittels eines bioverträglichen Adhäsivklebstoffes 7 an der Oberfläche 5 des Tumorgewebes möglichst dauerhaft gefügt. Die Trägerstrukturoberfläche 2 schließt mit dem Tumorgewebe 6 ein Volumen 8 ein, in dem, wie auch im übrigen intrakorporalen Bereich Extrazellulärflüssigkeit enthalten ist, die ein lokales biologisches Milieu bestimmt.A main application of the device according to the solution relates to the intracorporeal attachment of the device to the surface 5 of a cellular tumor tissue 6 . This is in 2a illustrated. For this, the support structure surface 2nd of the carrier substrate 1 preferably on the edge by means of a biocompatible adhesive 7 on the surface 5 of the tumor tissue joined as permanently as possible. The support structure surface 2nd closes with the tumor tissue 6 a volume 8th one in which, as in the rest of the intracorporeal area, extracellular fluid is contained, which determines a local biological milieu.

Wird an die Elektrodenstruktur 3 vermittels der Elektronikeinheit 4 eine elektrische Spannung von wenigstens 1 V, vorzugsweise größer 1,1V angelegt, so kommt es zur Elektrolyse der Extrazellulärflüssigkeit nahe der Elektrodenstruktur 3 und einer damit verbundenen Sauerstofffreisetzung. Zum Zwecke einer verbesserten Sauerstofferzeugung sehen die Elektroden 31 der Elektrodenstruktur 3 lokale Strukturen 9 vor, die im Falle des in 1 illustrierten Ausführungsbeispiels ringförmig ausgebildet sind. Alternativ können derartige Strukturen auch andere, die Elektrodenoberfläche vergrößernde Elektrodenformen annehmen.Is attached to the electrode structure 3rd by means of the electronic unit 4th If an electrical voltage of at least 1 V, preferably greater than 1.1 V, is applied, the extracellular fluid near the electrode structure is electrolyzed 3rd and an associated release of oxygen. The electrodes see for the purpose of improved oxygen generation 31 the electrode structure 3rd local structures 9 before, which in the case of in 1 illustrated embodiment are annular. Alternatively, structures of this type can also take on other electrode shapes which enlarge the electrode surface.

Alternativ zu dem in 2 a illustrierten intrakorporalen Anwendungszweck eignet sich die lösungsgemäße Vorrichtung ebenso für eine extrakorporale Applikation zum Zwecke der Unterstützung einer Wundheilung. In gleicher Weise kann die vorzugsweise als Pflaster ausgebildete Trägerstruktur 1 vermittels eines biologisch verträglichen Adhäsivklebers 7 an die Hautoberfläche 10 gefügt werden, an der eine Wunde 11 vorhanden ist, die von der Trägerstruktur 1 vorzugsweise nahtlos überdeckt wird. In gleicher Weise wird die Wundheilung durch lokale Erzeugung von Sauerstoff mit Hilfe der spannungsbeaufschlagten Elektrodenanordnung 3 im Wege der Elektrolyse der zwischen der Hautoberfläche 10 und der Trägerstrukturoberfläche 2 eingeschlossenen Extrazellulärflüssigkeit 12 unterstützt. Alternatively to that in 2 a illustrated intracorporeal application, the device according to the solution is also suitable for extracorporeal application for the purpose of supporting wound healing. In the same way, the carrier structure, which is preferably in the form of a plaster, can 1 by means of a biologically compatible adhesive adhesive 7 to the skin surface 10th be added to the wound 11 is present by the support structure 1 is preferably covered seamlessly. In the same way, wound healing is achieved by locally generating oxygen with the aid of the voltage-loaded electrode arrangement 3rd by means of electrolysis between the skin surface 10th and the support structure surface 2nd trapped extracellular fluid 12th supported.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sieht die in 1 illustrierte Vorrichtung ein Gasreservoir 13, vorzugsweise in Form einer Gaszelle vor, aus der kontrolliert Gas, vorzugsweise Sauerstoff, über die Trägerstrukturoberfläche 2, vorzugsweise im Bereich der Elektrodenstruktur 3, abgegeben werden kann.In a further preferred embodiment the 1 illustrated device a gas reservoir 13 , preferably in the form of a gas cell, from which controlled gas, preferably oxygen, over the support structure surface 2nd , preferably in the area of the electrode structure 3rd , can be delivered.

Alternativ oder in Kombination mit dem Vorsehen einer Gaszelle 13 innerhalb der Trägerstruktur 1 kann eine Mikropumpeneinheit 14 mit wenigstens einem Wirkstoffreservoir innerhalb der Trägerstruktur 1 oder separat zu dieser angebracht sein. Der innerhalb des Wirkstoffreservoirs bevorratete Wirkstoff ist geeignet für den jeweiligen Einsatzzweck und das erwünschte Therapieziel zu wählen und über die Trägerstrukturoberfläche 2, vorzugsweise im Bereich der Elektrodenanordnung 3 abzugeben.Alternatively or in combination with the provision of a gas cell 13 within the support structure 1 can be a micropump unit 14 with at least one drug reservoir within the carrier structure 1 or attached separately to this. The active substance stored within the active substance reservoir is suitable for the particular intended use and the desired therapeutic goal, and is selected via the surface of the carrier structure 2nd , preferably in the area of the electrode arrangement 3rd to deliver.

Auch kann anstelle eines Gasreservoirs oder zusätzlich zu einem Gasreservoir eine Vielzahl keiner, bläschenartig, ausgebildeter Fluidreservoire an der Tragstruktur im Bereich der Elektrodenstruktur verteilt angeordnet sein, deren einzelne Umhüllungen durch eine kurzzeitig an der Elektrodenstruktur anlegbare, hohe elektrische Spannung zum Platzen gebracht werden können, wodurch sich das in den bläschenartigen Fluidreservoirs bevorratete gasförmige oder flüssige Fluid in die Umgebung zu ergießen vermag. Vorzugsweise sind therapeutisch wirksame Stoffe in dem Fluid enthalten.Instead of a gas reservoir or in addition to a gas reservoir, a large number of none, bubble-like, formed fluid reservoirs can also be arranged distributed on the support structure in the region of the electrode structure, the individual ones of which Envelopes can be caused to burst by a high electrical voltage that can be briefly applied to the electrode structure, as a result of which the gaseous or liquid fluid stored in the bubble-like fluid reservoirs can pour out into the environment. Therapeutically active substances are preferably contained in the fluid.

Ferner sieht eine alternative Weiterbildung der Vorrichtung das Vorsehen so genannter Sensorelemente 14 vor, die jeweils zwischen den Elektroden 31 und Gegenelektroden 32 jeweils kontaktierend angeordnet sind und beispielsweise zum Zwecke des Sauerstoffnachweises oder der pH-Wert-Bestimmung dienen. Die Sensorelemente 15 bestehen vorzugsweise aus Iridiumoxid, Palladiumoxid oder Aluminiumoxid.Furthermore, an alternative development of the device provides the provision of so-called sensor elements 14 before, each between the electrodes 31 and counter electrodes 32 are arranged in a contacting manner and are used, for example, for the purpose of oxygen detection or pH value determination. The sensor elements 15 consist preferably of iridium oxide, palladium oxide or aluminum oxide.

Zur Aktivierung der Sensorelemente 15 gilt es geeignete Betriebsspannungen zwischen den Elektroden 31 und Gegenelektroden 32 der Elektrodenstruktur 3 zu applizieren. Dies erfolgt mit Hilfe der Elektronikeinheit 4.To activate the sensor elements 15 suitable operating voltages between the electrodes 31 and counter electrodes 32 the electrode structure 3rd to apply. This is done with the help of the electronic unit 4th .

3 illustriert eine Ausführungsform zur Ausbildung der Vorrichtung als Pflaster, das wenigstens beidseitig gegenüberliegend Haftstreifen 16 besitzt, auf deren Oberfläche der biologisch verträglich Adhäsivkleber 7 aufgebracht ist. 3rd illustrates an embodiment for forming the device as a plaster, the adhesive strip lying at least on both sides opposite 16 has on its surface the biologically compatible adhesive adhesive 7 is applied.

In 4 ist eine Weiterbildung der in 1 illustrierten Ausführungsform dargestellt, bei der auf der Trägerstrukturoberfläche 2 der Trägerstruktur 1 eine weitere Schicht 17 aufgebracht ist, die je nach Anwendungszweck hydrophil oder hydrophob ausgebildet sein kann. Auch kann die zusätzliche Schicht 17 in Form einer Sperrmembran ausgebildet sein, die wasserabweisend aber gasdurchlässig ist. Geeignete Materialien sind bspw. Polyetheretherketon, Hydrogele oder Goretex®.In 4th is a further training of the in 1 illustrated embodiment shown in the on the support structure surface 2nd the support structure 1 another layer 17th is applied, which can be hydrophilic or hydrophobic depending on the application. Also the additional layer 17th be designed in the form of a barrier membrane which is water-repellent but gas-permeable. Suitable materials are, for example, polyether ether ketone, hydrogels or Goretex®.

In 5 ist ein bevorzugtes Design für die Ausgestaltung der Elektrodenelemente 31, 32 einer Elektrodenstruktur 3 dargestellt, mit dem die Erzeugung von Sauerstoff besonders effektiv ist. Die länglich fingerartig ausgebildeten Elektroden 31 weisen quer zu deren Längserstreckung orientierte, stegartige Fortsätze 31' auf, die an einer kugeligen oder plattenförmigen Erweiterung 31" enden und in Ausbuchtungen 32' einmünden, die jeweils längs der Gegenelektroden 32 angebracht sind.In 5 is a preferred design for the design of the electrode elements 31 , 32 an electrode structure 3rd with which the generation of oxygen is particularly effective. The elongated, finger-like electrodes 31 have web-like extensions oriented transversely to their longitudinal extent 31 ' on that on a spherical or plate-shaped extension 31 " end and in bulges 32 ' open out, each along the counter electrodes 32 are attached.

Wird eine elektrische Spannung vermittels der Elektronikeinheit 4 von wenigstens 1V zwischen der Elektrode 31 und Gegenelektrode 32 angelegt, so bildet sich in Gegenwart extrazellulärer Flüssigkeit innerhalb der Ausbuchtungen 32' Sauerstoff. Wird hingegen eine elektrische Spannung von etwa 650 mV angelegt, so dienen die Bereiche mit den stegartigen Fortsätzen 31' sowie den Ausbuchtungen 32' als Sauerstoff-Sensoren.Is an electrical voltage by means of the electronics unit 4th of at least 1V between the electrode 31 and counter electrode 32 applied, it forms in the presence of extracellular fluid within the bulges 32 ' Oxygen. If, on the other hand, an electrical voltage of approximately 650 mV is applied, the areas with the web-like extensions serve 31 ' as well as the bulges 32 ' as oxygen sensors.

6 zeigt eine Anordnung A, die eine Vielzahl von Vorrichtungen V in einem arrayförmigen Anordnungsmuster umfasst, die allesamt über ein Daten-Bus-Übertragungssystem 18 miteinander verbunden sind, in dem zudem eine zentrale Rechen- und Steuereinheit 19, die vorzugsweise Chip-basiert ausgebildet ist, integriert ist. Die Vorrichtungen V, siehe Detailansicht in 6, weisen in einer einfachsten Ausgestaltungform jeweils eine Elektrodenstruktur 3, umfassend wenigstens eine Elektrode 31 und eine Gegenelektrode 32, sowie eine Elektronikeinheit 4 auf, und vermögen jede für sich und getrennt voneinander in Verbindung mit Extrazellulärflüssigkeit und in Abhängigkeit einer jeweils zwischen der Elektrode 31 und Gegenelektrode 32 angelegten elektrischen Spannung einen Elektrolyseprozess auszulösen, durch den Sauerstoff freigesetzt wird. Durch die flächig verteilte Anordnung der Vorrichtungen V sowie die separate Ansteuerung der einzelnen Vorrichtungen V, d.h. die zentrale Recheneinheit 19 kommuniziert jeweils mit den in den Vorrichtungen V enthaltenen Elektronikeinheiten 4 gemeinsam oder jeweils separat, lässt sich eine flächig homogen oder heterogen steuerbare Sauerstofffreisetzung realisieren. 6 shows an arrangement A that a variety of devices V in an array-like arrangement pattern, all via a data bus transmission system 18th are interconnected, in which a central processing and control unit 19th , which is preferably chip-based, is integrated. The devices V , see detailed view in 6 each have an electrode structure in a simplest embodiment 3rd comprising at least one electrode 31 and a counter electrode 32 , as well as an electronics unit 4th , and are each capable of being used separately and separately from one another in connection with extracellular fluid and depending on one between the electrodes 31 and counter electrode 32 applied electrical voltage to trigger an electrolysis process through which oxygen is released. Due to the flat arrangement of the devices V as well as the separate control of the individual devices V , ie the central processing unit 19th communicates with those in the devices V contained electronic units 4th Together or separately, an areally homogeneous or heterogeneously controllable oxygen release can be realized.

Selbstverständlich können die einzelnen im Daten-Bus-Verbund vorhandenen Vorrichtungen V in der vorstehend erläuterten Weise multifunktional erweitert ausgebildet sein, bspw. durch Ergänzung mit wenigstens einem Sensor bspw. zur Erfassung des pH-Wertes, O2-Gehaltes o.ä. Hierdurch lässt sich die therapeutische Einflussnahme der Anordnung A auf einen zu behandelnden Gewebebereich flächenspezifisch vornehmen, d.h. je nach Heilungs- oder intrakorporalen Milieuzustand, der sensorisch flächenaufgelöst erfassbar ist, lassen sich ausgewählte Vorrichtungen V oder eine Gruppe ausgewählter Vorrichtungen V in der Anordnung A aktivieren, bspw. zum Zwecke eines lokalen Elektrolyseprozesses oder der lokalen Freisetzung eines Mediums mittels einer Gaszelle oder einer Mikropumpeneinheit, die an einem Wirkstoffreservoir angeschlossen ist.Of course, the individual devices in the data bus network can V be designed to be multifunctionally expanded in the manner explained above, for example by supplementing it with at least one sensor, for example for detecting the pH value, O 2 content or the like. This allows the arrangement to be influenced therapeutically A Make area-specific treatments for a tissue area to be treated, ie depending on the healing or intracorporeal milieu condition, which can be detected by sensors in a surface-resolved manner, select devices V or a group of selected devices V in the arrangement A activate, for example, for the purpose of a local electrolysis process or the local release of a medium by means of a gas cell or a micropump unit which is connected to an active substance reservoir.

In einer Ausführungsform sind sämtliche Vorrichtungen V jeweils auf einer Trägerstruktur 1 aufgebracht, bspw. auf einem Chip, die wiederum auf einem Träger 1' aufgebracht ist, auf dem die Vorrichtungen V eine feste räumliche Relativanordnung untereinander besitzen.In one embodiment, all devices are V each on a support structure 1 applied, for example on a chip, which in turn on a carrier 1' is applied on which the devices V have a fixed spatial relative arrangement with each other.

Die über das Daten-Bus-Übertragungssystem 18 verknüpften einzelnen Chips bzw. Vorrichtungen 1 können sowohl sehr klein als auch größer flächig ausgebildet sein. Die Chip-basierte zentrale Rechen- und Steuereinheit 19 kann auf einer Keramik oder auf einem Vlies als Träger 1' aufgebracht sein, auf dem oder in dem die einzelnen Chips bzw. Vorrichtungen V eingelassen sind. Das Daten-Bus-Übertragungssystem 18 ist Leitungsgebunden, d.h. die Vorrichtungen V sind miteinander sowie mit der zentralen Rechen- und Steuereinheit 19 über auf oder in den Träger applizierte oder integrierte elektrische Leitungen galvanisch verbunden. Das in 6 illustrierte elektrische Verbindungsmuster ist lediglich stellvertretend für eine große Vielzahl möglicher Schaltungstopologien zu verstehen.The over the data bus transmission system 18th linked individual chips or devices 1 can be made both very small and larger area. The chip-based central processing and control unit 19th can be on a ceramic or on a fleece as a carrier 1' be applied on or in which the individual chips or devices V are let in. The data bus transmission system 18th is wired, ie the devices V are with each other and with the central processing and control unit 19th galvanically connected via electrical lines applied or integrated in the carrier. This in 6 The illustrated electrical connection pattern is only to be understood as representative of a large number of possible circuit topologies.

In einer weiteren denkbaren Ausführungsform weisen die Elektronikeinheiten 4 der einzelnen Vorrichtungen V elektrische Energiequellen auf, bspw. in Form wenigstens einer Schnittstelle zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie oder in Form einer Batterie oder Akkus o.ä.. In diesem Fall ist es möglich anstelle eines Leitungsgestützten Daten-Bus-Übertragungssystems 18 die Signalübertragung innerhalb des Daten-Bus-Übertragungssystems 18 vermittels des die gesamte Anordnung A umgebenden elektrisch leitenden flüssigen Milieus, bspw. Lymphe oder Gewebeflüssigkeit, zu realisieren. Auf diese Weise umgeht man die galvanischen Verbindungsleitungen.In a further conceivable embodiment, the electronic units have 4th of the individual devices V electrical energy sources, for example in the form of at least one interface for the wireless transmission of electrical energy or in the form of a battery or rechargeable batteries or the like. In this case it is possible instead of a line-based data bus transmission system 18th signal transmission within the data bus transmission system 18th by means of the whole arrangement A surrounding electrically conductive liquid milieus, for example. Lymph or tissue fluid. This avoids the galvanic connection lines.

Für die materielle Ausbildung des Trägers 1' eignen sich grundsätzlich die gleichen bioverträglichen Materialien, die sich auch für die Trägerstrukturen 1 eignen, wie vorstehend erläutert.For the physical education of the wearer 1' are basically the same biocompatible materials that are also suitable for the support structures 1 are suitable, as explained above.

In einer weiteren Ausführungsform können die Elektrodenstruktur 3 und wenigstens die Elektronikeinheit 4 jeder Vorrichtung V unmittelbar auf dem Träger 1' der Anordnung A aufgebracht sein.In a further embodiment, the electrode structure 3rd and at least the electronics unit 4th any device V directly on the carrier 1' the arrangement A be upset.

BezugszeichenlisteReference list

11
TrägerstrukturSupport structure
1'1'
Trägercarrier
22nd
TrägerstrukturoberflächeSupport structure surface
33rd
ElektrodenstrukturElectrode structure
3131
ElektrodenElectrodes
31'31 '
Stegartiger FortsatzSteigeriger extension
31"31 "
kugelige oder plattenförmige Erweiterungspherical or plate-shaped extension
3232
GegenelektrodenCounter electrodes
32'32 '
Ausbuchtungbulge
44th
ElektronikeinheitElectronics unit
55
Oberflächesurface
66
Zelluläres TumorgewebeCellular tumor tissue
77
Biologisch verträglicher AdhäsivkleberBiologically compatible adhesive adhesive
88th
Volumenvolume
99
Lokale StrukturLocal structure
1010th
HautoberflächeSkin surface
1111
Wundewound
1212th
ExtrazellulärflüssigkeitExtracellular fluid
1313
GasreservoirGas reservoir
1414
MikropumpeneinheitMicropump unit
1515
SensorelementSensor element
1616
HaftstreifenAdhesive strips
1717th
Schichtlayer
1818th
Daten-Bus-ÜbertragungssystemData bus transmission system
1919th
RecheneinheitArithmetic unit
AA
Anordnungarrangement
VV
Vorrichtungcontraption

Claims (23)

Vorrichtung zur extra-oder intrakorporalen Applikation an oder in einem menschlichen oder tierischen Körper zur Beeinflussung und/oder sensorischen Erfassung eines lokalen biologischen Milieus, mit einer flächigen, bioverträgliches Material aufweisenden Trägerstruktur, die eine Trägerstrukturoberfläche aufweist, an der eine Elektrodenstruktur aufgebracht ist, die zumindest zwei jeweils einen lateralen Abstand zueinander aufweisende Elektrodenelemente aufweist, die das biologische Milieu gemeinsam mit der Trägerstrukturoberfläche lokal zu begrenzen vermag, sowie mit einer an oder in der Tragstruktur angeordneten Elektronikeinheit, die die Elektrodenstruktur elektrisch kontaktiert und eine vorgebbare elektrische Spannung zwischen den wenigstens zwei Elektrodenelemente zur Ausbildung jeweils als Elektrode und Gegenelektrode appliziert.Device for extra- or intracorporeal application to or in a human or animal body for influencing and / or sensory detection of a local biological environment, with a flat, biocompatible material having a support structure that has a support structure surface on which an electrode structure is applied, at least has two electrode elements each having a lateral spacing from one another, which together with the support structure surface can locally limit the biological environment, and an electronics unit arranged on or in the support structure, which makes electrical contact with the electrode structure and a predeterminable electrical voltage between the at least two electrode elements Training applied as an electrode and counter electrode. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Trägerstruktur zumindest im Bereich der Elektrodenstruktur hydrophil ist.Device after Claim 1 , characterized in that the material of the support structure is hydrophilic at least in the region of the electrode structure. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Trägerstruktur zumindest im Bereich der Elektrodenanordnung hydrophob ist.Device after Claim 1 , characterized in that the material of the support structure is hydrophobic at least in the region of the electrode arrangement. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Polyetheretherketon ist, auf dessen Trägerstrukturoberfläche die Elektrodenstruktur angebracht ist.Device after Claim 3 , characterized in that the material is a polyether ether ketone, on the support structure surface of which the electrode structure is attached. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur in Form einer Interdigitalfingerelektrodenstruktur ausgebildet ist.Device according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the electrode structure is in the form of an interdigital finger electrode structure. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Längserstreckung wenigstens eines der als Elektrode oder als Gegenelektrode dienenden Elektrodenelemente wenigstens eine lokale Struktur angebracht ist, die eine größere Elektrodenoberfläche in Längserstreckung besitzt ist, als das übrige Elektrodenelement in Längserstreckung.Device according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that in Longitudinal extension of at least one of the electrode elements serving as an electrode or as a counterelectrode is at least one local structure which has a larger electrode surface in the longitudinal extension than the rest of the electrode element in the longitudinal extension. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Struktur ring-, kugel- zickzack- oder mäanderförmig ausgebildet ist und/oder eine gegenüber der übrigen Elektrodenelementoberfläche aufgeraute Oberfläche aufweist.Device after Claim 6 , characterized in that the at least one structure is annular, spherical, zigzag or meandering and / or has a roughened surface with respect to the rest of the electrode element surface. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur im Wege eines Druckvorganges auf die Trägerstrukturoberfläche aufgebracht ist.Device according to one of the Claims 1 to 7 , characterized in that the electrode structure is applied to the support structure surface by means of a printing process. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur aus einem der nachstehenden elektrisch leitenden Materialien besteht: Gold, Silber, Platin, Palladium, Graphen, Graphen Analoga, elektrisch leitfähige Polymere.Device according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the electrode structure consists of one of the following electrically conductive materials: gold, silver, platinum, palladium, graphene, graphene analogues, electrically conductive polymers. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Elektrodenelemente parallel oder weitergehend parallel längs deren Längserstreckung zueinander angeordnet sind.Device according to one of the Claims 1 to 9 , characterized in that the at least two electrode elements are arranged parallel or largely parallel along their longitudinal extent to each other. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur die in Art eines Vlieses ausgebildet ist und aus einem Gewirke, Geflecht oder Filz aus einer Natur-, Kunst- oder Hohlfaser besteht.Device according to one of the Claims 1 to 10th , characterized in that the support structure which is designed in the manner of a fleece and consists of a knitted fabric, braid or felt made of a natural, synthetic or hollow fiber. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur in Arte eines Chips oder einer Leiterplatine ausgebildet ist.Device according to one of the Claims 1 to 10th , characterized in that the carrier structure is designed in the manner of a chip or a printed circuit board. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittel- oder unmittelbar an der Trägerstruktur wenigstens ein Fluidreservoir angebracht ist, in dem ein gasförmiges oder fliessfähiges Medium bevorratet ist, und/oder dass mittel- oder unmittelbar an der Trägerstruktur wenigstens eine Gaszelle angebracht ist.Device according to one of the Claims 1 to 12th , characterized in that at least one fluid reservoir, in which a gaseous or flowable medium is stored, is attached directly or indirectly to the carrier structure, and / or that at least one gas cell is attached directly or indirectly to the carrier structure. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Fluidreservoir und/oder die wenigstens eine Gaszelle vermittels der Elektronikeinheit zur dosierten Abgabe eines Fluids im Bereich der Elektrodenstruktur aktivierbar oder vermittels einer zwischen den wenigstens zwei Elektrodenelemente anlegbaren elektrischen Spannung freisetzbar ist.Device after Claim 13 , characterized in that the at least one fluid reservoir and / or the at least one gas cell can be activated by means of the electronics unit for the metered delivery of a fluid in the region of the electrode structure or can be released by means of an electrical voltage that can be applied between the at least two electrode elements. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an der Trägerstruktur eine Mikropumpeneinheit mit wenigstens einem Wirkstoffreservoir derart angebracht ist oder dass die Trägerstruktur über wenigstens eine Fluidleitung mit einer Mikropumpeneinheit mit wenigstens einem Wirkstoffreservoir fluidisch derart verbunden ist, dass die Mikropumpeneinheit vermittels der Elektronikeinheit zur dosierten Abgabe des wenigstens einen Wirkstoffes im Bereich der Elektrodenstruktur aktivierbar ist.Device according to one of the Claims 1 to 14 , characterized in that a micropump unit with at least one drug reservoir is attached to the carrier structure or that the carrier structure is fluidically connected to at least one fluid line with a micropump unit with at least one drug reservoir such that the micropump unit by means of the electronics unit for the metered delivery of the at least one drug can be activated in the area of the electrode structure. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit wenigstens eine der nachstehenden Funktionseinheiten umfasst: Mikroprozessoreinheit, Schnittstelle zur drahtlosen Übertragung von Signalen und/oder elektrischer Energie, Batterie und/oder Akkumulator, elektrischer Schwingkreis mitinduktiver Empfangsspule.Device according to one of the Claims 1 to 15 , characterized in that the electronic unit comprises at least one of the following functional units: microprocessor unit, interface for wireless transmission of signals and / or electrical energy, battery and / or accumulator, electrical resonant circuit with inductive receiving coil. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass an oder innerhalb der Trägerstruktur eine fluidische Sperrmembran eingebracht ist.Device according to one of the Claims 1 to 16 , characterized in that a fluidic barrier membrane is introduced on or within the support structure. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den wenigstens zwei Elektrodenelementen wenigstens ein Sensorelement angeordnet und mit den beiden Elektrodenelementen kontaktiert ist, und dass das wenigstens eine Sensorelement mit der Elektronikeinheit verbunden ist, die eine vorgebbare elektrische Spannung an das Sensorelement appliziert.Device according to one of the Claims 1 to 17th , characterized in that between the at least two electrode elements at least one sensor element is arranged and contacted with the two electrode elements, and that the at least one sensor element is connected to the electronics unit which applies a predeterminable electrical voltage to the sensor element. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sensorelement ein pH-Sensor auf Basis von Iridiumoxid, Palladiumoxid, Aluminiumoxid.Device after Claim 18 , characterized in that the at least one sensor element is a pH sensor based on iridium oxide, palladium oxide, aluminum oxide. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstrukturoberfläche mittel- oder unmittelbar an die Elektrodenstruktur lateral angrenzend ein Mittel vorsieht, das geeignet zum Fügen an eine biologische Gewebeoberfläche ausgebildet ist.Device according to one of the Claims 1 to 19th , characterized in that the support structure surface provides, directly or indirectly adjacent to the electrode structure, a means which is suitable for joining to a biological tissue surface. Anordnung mit wenigstens zwei Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Vorrichtungen über ein Daten-Bus-Übertragungssystem miteinander verbunden sind.Arrangement with at least two devices according to one of the Claims 1 to 20th , characterized in that the at least two devices are interconnected via a data bus transmission system. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl der Vorrichtungen zeilen- oder arrayförmig mit einer fest vorgegebenen Relativanordnung angeordnet sind.Arrangement after Claim 21 , characterized in that a plurality of the devices are arranged in rows or arrays with a fixed predetermined relative arrangement. Anordnung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Vorrichtungen auf einem Träger angeordnet sind, auf dem eine Chip-basierte Recheneinheit angebracht ist, die über das Daten-Bus-Übertragungssystem mit der in jeder Vorrichtung vorhandenen Elektronikeinheit kommuniziert.Arrangement after Claim 21 or 22 , characterized in that the at least two Devices are arranged on a carrier on which a chip-based computing unit is attached, which communicates with the electronic unit present in each device via the data bus transmission system.
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