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Die Erfindung betrifft ein elektrisch stimulierbares Implantat mit inkludierter Impedanzmessung.
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Implantatstrukturen welche durch elektrische Impulse angrenzende Zellen stimulieren, in der Absicht die Einheilung zu verbessern und zu beschleunigen, um so die bestmögliche Funktionsweise des Implantates zu ermöglichen, sind Gegenstand der Forschung und zum Teil der Technik.
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Die Impedanz ist gleichzusetzen mit dem Wechselstromwiederstand, der auch zwischen Zellen und dem umgebenden Substrat gemessen werden kann. Dies liegt ursächlich daran, dass die Zellen sich aufgrund der isolierenden Eigenschaften ihrer Plasmamembran wie dielektrische Partikeln verhalten.
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Wenn Zellen sich an Elektroden eines Impedanzanalysators festsetzen, wirken sie als Isolatoren und erhöhen die Impedanz. Wenn die Zellen wachsen und die Elektroden bedecken, wird der Strom in einer Weise behindert, die von der Anzahl der Zellen, die die Elektrode bedecken, der Morphologie der Zellen und der Art der Zellanhaftung abhängt. Wenn Zellen stimuliert werden, um ihre Funktion zu ändern, verändern die damit einhergehenden Änderungen der Zellmorphologie die Impedanz.
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Bisherige Impedanzanalysatoren, sind bekannt aus dem Impedanzmonitoring für z.B. den Nachweis des Metastasierungsverhaltens von Tumorzellen oder zum Studium der transepithelialer Resistenz von Zellmonolayern.
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Die Analyse der Impedanz während des Einheilungsprozesses von Implantaten ist neu. Klassischer Weise wird die Bewertung der Knochenregeneration durch invasive Ansätze überwacht, z.B. durch die Entnahme von Knochenproben von der Implantationsstelle zur histologischen Bewertung oder durch 3D radiologische Methoden.
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Ferner offenbart die Druckschrift
DE102005017740A1 eine Vorrichtung zur elektrischen Stimulation von elektrisch stimulierbarem biologischem Material mit einem in Wirkkontakt zu dem biologischen Material implantierbaren Elektrodenarray, das eine zweidimensionale Anordnung umfasst, die bei Beaufschlagung mit einem Stimulationssignal ein Stimulationsfeld (S1, S2, ...) für das biologische Material erzeugen, und Mittel zur Beaufschlagung der Einzelelektroden mit den Stimulationssignalen. Die Elektrodenbeaufschlagungsmittel zur Beaufschlagung der Einzelelektroden mit Wechselfeld-Stimulationssignalen sind derart eingerichtet, dass das von den Einzelelektroden für das biologische Material erzeugte Stimulationsfeld eine Rotationskomponente aufweist.
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Nachteilig im Stand der Technik, dass ein kontinuierliches Monitoring eines Einheilungsprozesses der Implantate nur mittels bildgebender Verfahren, wie beispielsweise Röntgen, MRT- oder CT-Verfahren möglich ist. Dies verursacht hohe Nachbehandlungskosten für die behandelnden Ärzte und Kliniken und das Gesundheitssystem bedeutet vor allem, dass die Patienten hohen Belastungen ausgesetzt sind.
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Darstellung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Implantatsystem bereit zu stellen, welches in der Lage ist, ein Einwachsverhalten eines Implantates zum einen zu beschleunigen und zum anderen zu überwachen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die in den Ansprüchen aufgeführten Merkmale.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Implantatsystem zur elektrischen Stimulation eines ein Implantat umgebendes Gewebes, um einen Einheilungsprozess des Implantates zu beschleunigen, wobei das Implantatsystem ferner derart ausgestaltet eine Nachverfolgung des Einheilungsprozesses zu ermöglichen. Gemäß verschiedener Ausgestaltungsformen, weist das Implantatsystem folgende Komponenten auf:
- a. ein Implantat,
- b. ein Stimulationssystem, wobei das Stimulationssystem eine Signalausgabeeinheit aufweist, welche derart ausgebildet ist, mittels Signalen eine erste Elektrodenanordnung derart anzusteuern, dass eine elektrisch initiierte Stimulation von Zellen des das Implantat umliegenden Gewebes erfolgt,
- c. ferner aufweisend eine Impedanzerfassungsvorrichtung, wobei die Impedanzerfassungsvorrichtung derart ausgestaltet ist, mittels einer zweiten Elektrodenanordnung eine Impedanz des das Implantat umliegenden Gewebes zu messen und ein Impedanzmesssignal auszugeben,
- d. ferner aufweisend eine Steuerungs- und Regelungseinheit, welche derart ausgestaltet ist, das Impedanzmesssignal von der Impedanzerfassungsvorrichtung zu empfangen und zu verarbeiten und welche derart ausgestaltet ist, ein Ausgangssignal basierend auf dem Impedanzmesssignal zu generieren und an das Stimulationssystem zu senden, so dass das Stimulationssystem abhängig vom Impedanzmesssignal das Gewebe stimuliert.
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Gemäß verschiedener Ausgestaltungen weist das Impedanzmesssignal eine Gesamtimpedanz Z in Abhängigkeit verschiedener Frequenzen ω, eines Zell-Zell-Kontakt-Widerstandes Rb, einer Zellschichten-Kapazität Cm und eines Impedanzparameters α auf, wobei der Impedanzparameter α Anteile der Gesamtimpedanz Z beschreibt, welche sich aus einer Nähe einer Zellmonoschicht zur Elektrodenoberfläche ergeben (Zell-Substrat-Kontakte).
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Der Impedanzparameter α korreliert mit einem Differenzierungsprozess von Zellen des umliegenden Gewebes und/oder mit dem Einheilungsprozess des Implantates.
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Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist das Implantat aus metallischen und/oder polymeren Materialien gefertigt, welche bevorzugt den Anforderungen der Biokompatibilität entsprechen und bevorzugt aus Titan und oder Titanlegierungen gefertigt sind.
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Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist es außerdem denkbar, dass das Implantat die Struktur eines Scaffolds aufweist und/oder eine dezellularisierte Zellmatrix und/oder ein anderes Erzeugnis des Tissue Engineerings und/oder des Rapid Prototyping aufweist. Diese Strukturen realisieren eine patientenspezifische Anpassung an den Umfang der zu ersetzenden Strukturen.
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Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist das Implantatsystem eine Sensoreinheit auf, welche Messwerte physikalischer und/oder chemischer und/oder zytopharmakologische Größen ermittelt, wodurch beispielsweise der Einheilungsprozess und/oder entzündliche- und/oder degenerative Prozesse erkannt werden können und/oder ggf. vom zu behandelnden Arzt entsprechend auf die ermittelten Messwerte reagiert werden kann.
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Ferner weist das Implantatsystem gemäß verschiedener Ausführungsformen eine Ausgabeeinheit und/oder eine Speichereinheit auf, welche insbesondere zur Ausgabe und/oder Speicherung des Impedanzmesssignals und/oder zur Ausgabe und/oder Speicherung der ausgebenden Signale des Stimulationssystems und/oder zur Ausgabe und/oder Speicherung erfasster Werte der Sensoreinheit ausgestaltet sind.
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Ferner weist das Implantatsystem, gemäß verschiedener Ausführungsformen, eine Eingabeeinheit auf. Durch die Eingabeeinheit wird eine manuelle Eingabe von Prozessgrößen ermöglicht. Die Eingabeeinheit ist, gemäß verschiedener Ausführungsformen, ferner an das Stimulationssystem und/oder an die Impedanzerfassungsvorrichtung und/oder an die Steuerungs- und Regelungseinheit derart gekoppelt, dass die elektrische Stimulation und/oder der Impedanzerfassungsvorgang von außerhalb, beispielsweise durch einen behandelnden Arzt, bedient und manuell angesteuert werden kann/können.
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Ferner weist das Implantatsystem zumindest eine Energiequelle auf, welche das Implantatsystem mit Energie versorgt, wobei die Energiequelle ein Akkumulator sein kann, welcher gemäß verschiedener Ausführungsformen derart ausgestaltet ist, dass dieser durch Magnetismus wieder aufladbar ist.
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Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist auf dem Implantat eine Oberflächenbeschichtung angeordnet, wobei die Oberflächenbeschichtung beispielsweise Polymere und/oder Polymerblends und/oder Hydrogelen oder/oder Drug delivery Systeme und/oder Fliesen und/oder Partikel und/oder Stammzellen aufweist. Diese oder andere Oberflächenbeschichtungen können dazu beitragen die antiinflammatorischen Eigenschaften zu erhöhen und/oder können auch dazu beitragen den Einheilungsprozess des Implantates zu beschleunigen, wodurch beispielsweise die ordinären Eigenschaften endogenen Knochens schneller und effektiver übernommen werden können.
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Die Impedanz ist gleichzusetzen mit dem Wechselstromwiederstand der zwischen Zellen und dem umgebenden Substrat gemessen wird. Zellen verhalten sich aufgrund der isolierenden Eigenschaften ihrer Plasmamembran wie dielektrische Partikel. Der ausgesendete Wechselstrom beeinflusst die messbare Frequenz in Abhängigkeit der Eigenschaften der Zellen. Durch die Variation des angelegten Wechselstromes und dessen Frequenz kann bestimmt werden, ob sich die Zellmembraneigenschaften, die Zell-Zell-Kontakte oder die Zelladhäsion ändern. Grundlage für den Rückschluss auf die Differenzierungseigenschaften der das Implantat umgebenden Zellen und der Beurteilung des Einheilungsprozesses ist der mathematische Zusammenhang:
Der Betrag der Gesamtimpedanz Z ist damit eine Funktion, die abhängig ist von den Variablen der Frequenzen ω, des Zell-Zell-Kontakt-Widerstandes R
b und der Zellschichten-Kapazität C
m und des Impedanzparameters α. Der Impedanzparameter α ist damit ein Anteil der Gesamtimpedanz Z. Der Impedanzparameter αermöglicht, dass unterschieden werden kann, ob eine Impedanzveränderung aufgrund von Proliferationseigenschaften oder Aufgrund von Differenzierungsprozessen stattfindet. Der Impedanzparameter αbeschreibt die Interaktion zwischen Zellen und Substrat, welche sich aus einer Nähe einer Zellmonoschicht zur Elektrodenoberfläche ergibt (Zell-Substrat-Kontakte). Proliferationseigenschaften betreffen das Wachstum von Gewebe und beschreiben sowohl die Zellteilung als auch das Zellwachstum. Differenzierungsprozesse betreffen die Entwicklungsbiologie und beschreiben die Spezialisierung von Zellen. Im Falle eines Einwachsens eines Implantates in ein Knochengewebe meint die Differenzierung die Entwicklung von Stammzellen zu osteogenen Zellen. Die Proliferation von Zellen hat einen signifikanten Einfluss auf den Zell-Substrat-Kontakt, wodurch die Berechnung von dem Impedanzparameter αeine Diskriminierung zwischen Proliferation und Differenzierung realisiert. Der Impedanzparameter αwird mit dem Einheilungsprozess des Implantates in das umliegende Gewebe assoziiert und hat die Aufgabe eine Bewertung der Knochenregeneration zu realisieren.
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Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Implantatsystem zur elektrischen Stimulation eines ein Implantat umgebendes Gewebe und zur Nachverfolgung eines Einheilungsprozesses eines Implantates ist die Möglichkeit der gezielten Modulierung der Migration, Proliferation und Differenzierungseigenschaften des das Implantat umgebenden Gewebes durch regulier- und steuerbare elektrische Stimulation, gekoppelt an eine impedanzbasierte Überprüfung dieser Zell- und Zellwachstumseigenschaften. Dadurch realisiert das Implantatsystem eine schnelle, effektive und anpassbare sowie nachverfolgbare Einheilung von dem Implantat in das bevorzugt osteogene Gewebe. Die impedanzbasierte Überprüfung wird durch die Impedanzerfassungsvorrichtung realisiert und schützt im Gegensatz zu anderen invasiven Methoden die periimplantäre Umgebung
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Figurenliste
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Die Erfindung wird anhand eines/mehrerer Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierzu zeigen
- 1 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Implantatsystems
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In der Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die erfindungsgemäße Anordnung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird eine Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“ usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Zeichnungen verwendet. Die Richtungsterminologie dient der Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend.
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Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
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Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden“, „angeschlossen“ sowie „gekoppelt“ zum Beschreiben verwendet sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung (beispielsweise ohmsch und/oder elektrisch leitfähig, z.B. in einer elektrisch leitfähigen Verbindung), eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung.
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In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Implantatsystem 1 zur elektrischen Stimulation eines ein Implantat umgebendes Gewebe und zur Nachverfolgung eines Einheilungsprozesses eines Implantates. Es weist folgende Komponenten auf: ein Implantat 2, ein Stimulationssystem 3, eine Impedanzerfassungsvorrichtung 4 und eine Steuerungs- und Regelungseinheit 5. Das Stimulationssystem 3 weist eine Signalausgabeeinheit 31 (nicht dargestellt) auf, welche derart ausgebildet ist, mittels Signalen eine erste Elektrodenanordnung 32 (nicht dargestellt) derart anzusteuern, dass eine elektrisch initiierte Stimulation von Zellen des das Implantat 2 umliegenden Gewebes erfolgt. Die Impedanzerfassungsvorrichtung 4 ist derart ausgestaltet, mittels einer zweiten Elektrodenanordnung 41 (hier nicht dargestellt) eine Impedanz des das Implantat 2 umliegenden Gewebes zu messen und ein Impedanzmesssignal 42 auszugeben. Die Steuerungs- und Regelungseinheit 5 ist derart ausgestaltet, das Impedanzmesssignal 42 von der Impedanzerfassungsvorrichtung 4 zu empfangen und zu verarbeiten und welche derart ausgestaltet ist, ein Ausgangssignal 51 basierend auf dem Impedanzmesssignal 42 zu generieren und an das Stimulationssystem 3 zu senden, so dass das Stimulationssystem 3 abhängig vom Impedanzmesssignal 42 das Gewebe stimuliert.
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Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist das Impedanzmesssignal 42 eine Gesamtimpedanz Z in Abhängigkeit verschiedener Frequenzen ω, eines Zell-Zell-Kontakt-Widerstandes Rb, einer Zellschichten-Kapazität Cm und eines Impedanzparameters α auf, wobei der Impedanzparameter α Anteile der Gesamtimpedanz Z beschreibt, welche sich aus einer Nähe einer Zellmonoschicht zur Elektrodenoberfläche ergeben (Zell-Substrat-Kontakte). Der Impedanzparameter α korreliert mit einem Differenzierungsprozess von Zellen des umliegenden Gewebes. Ferner korreliert der Impedanzparameter α mit dem Einheilungsprozess des Implantates 1 korreliert.
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Gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele ist das Implantat 2 aus metallischen und/oder polymeren Materialien gefertigt. Das Implantat 2 kann jedoch auch als ein Scaffold und/oder eine dezellularisierte Zellmatrix und/oder ein anderes Erzeugnis des Tissue Engineerings ausgebildet sein.
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Ferner weist das erfindungsgemäße Implantatsystem eine Sensoreinheit (in 1 nicht dargestellt), eine Ausgabeeinheit 6 und/oder eine Speichereinheit 7 auf, zur Ausgabe und/oder Speicherung des Impedanzmesssignals 42, zur Ausgabe und/oder Speicherung der ausgebenden Signale des Stimulationssystems 3 und/oder zur Ausgabe und/oder Speicherung erfasster Werte der Sensoreinheit. Ferner weist das Implantatsystem 1 bevorzugt eine Eingabeeinheit 8 zur manuellen Eingabe von Prozessgrößen auf, wobei die Eingabeeinheit 8 mit dem Stimulationssystem 3 und/oder mit der Impedanzerfassungsvorrichtung 4 und/oder mit der Steuerungs- und Regelungseinheit 5 verbunden ist. Wie in 1 dargestellt können Ausgabeeinheit 6, Speichereinheit 7 und Eingabeeinheit 8 zusammengefasst in einer Vorrichtung bereitgestellt werden, beispielsweise mittels einem Endgerät, beispielsweise einem Laptop, einem Tablet oder einem Smartphone.
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Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist das Implantatsystem 1 zumindest eine Energiequelle, welche beispielsweise ein Akkumulator ist, auf. Hierbei ist eine Akkumulator denkbar, welcher derart ausgestaltet ist, dass dieser ein durch Magnetismus aufladbarer Akkumulator ist. Eine Verwendung anderer Energiequellen, welche mit Drahtverbindung oder kabellos dem Implantsystem 1 Energie zur Verfügung stellen, sind jedoch denkbar.
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Gemäß verschiedener Ausführungsformen kann das Implantat 2 eine Oberflächenbeschichtung 12 aufweisen, welche Polymere und/oder Polymerblends und/oder Hydrogele oder/oder Drug delivery Systeme und/oder Fliese und/oder Partikel und/oder insbesondere Stammzellen aufweist.
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In 1 ist das umliegende Gewebe beispielshaft als Knochengewebe dargestellt. Andere Gewebearten sind jedoch denkbar. Bei dem hier dargestellten Implantat 2 handelt es sich beispielshaft um ein Standardbeinimplantat. Auch andere Ausführungsformen des Implantates 2 sind denkbar, beispielsweise können Zahn-, Hüft-, Gelenkimplantate verwendet, welche als Ersatz und/oder Stütze für Knochenmaterial implantiert werden sollen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Implantatsystem
- 2
- Implantat
- 3
- Stimulationssystem
- 31
- Signalausgabeeinheit
- 32
- erste Elektrodenanordnung
- 4
- Impedanzerfassungsvorrichtung
- 41
- zweite Elektrodenanodnung
- 42
- Impedanzmesssignal
- 5
- Steuerungs- und Regelungseinheit
- 51
- Ausgangssignal
- 6
- Ausgabeeinheit
- 7
- Speichereinheit
- 8
- Eingabeeinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005017740 A1 [0007]
