Zur Machbarkeit frugaler Mikroimplantate auf Basis ferroelektrischer Kondensatoren

Abstract

Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Machbarkeit einer passiven Regelung des Stimulationsstroms in frugalen Mikroimplantaten auf Basis ferroelektrischer Kondensatoren untersucht und bewertet. Ein recheneffizientes physikbasiertes Modell wurde entwickelt und experimentell validiert, um die Machbarkeit des passiven Regelungsansatzes zunächst theoretisch nachzuweisen. Eine extrakorporale Einheit, eine grafische Benutzeroberfläche und ein frugales Mikroimplantat in der Größe einer Ein-Cent-Münze wurden als Demonstrator realisiert. Mit den im Modell identifizierten Systemparametern und einem geeigneten nichtlinearen Hystereseverlauf wurde die Machbarkeit und Reproduzierbarkeit des passiven Regelungsansatzes in vitro unter Einhaltung der zulässigen Grenzwerte für die Gewebeerwärmung nachgewiesen. Die Plausibilität der ermittelten Materialparameter des verwendeten ferroelektrischen Materials wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie belegt. Mit den Ergebnissen dieser Dissertation kann gezeigt werden, dass ferroelektrische Werkstoffe als intelligente Materialien zur passiven Regelung des Stimulationsstroms in frugalen Mikroimplantaten eingesetzt werden können. Frugale Mikroimplantate könnten daher als Systeme bezeichnet werden, bei denen intrinsische Materialeigenschaften bereits vorhandener Komponenten genutzt werden, um einen erweiterten Funktionsumfang zu realisieren, ohne zusätzliche Komponenten zu integrieren.

This PhD thesis investigates the feasibility of passive stimulation current control in frugal microimplants based on ferroelectric capacitors. A computationally efficient physics-based model was developed and experimentally validated. The feasibility of the passive control approach was first demonstrated theoretically. A demonstrator was realized, including an extracorporeal device, a graphical user interface, and a one-cent coin-sized frugal microimplant. The system parameters and the nonlinear hysteresis shape identified with the model were used to demonstrate the feasibility and reproducibility of the passive control approach in vitro, in compliance with the maximum permissible limits for tissue heating. The plausibility of the material parameters determined for the employed ferroelectric material has been confirmed by scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy. The results of this thesis demonstrate that ferroelectric materials can be used as smart materials for passive stimulation current control in frugal microimplants. Frugal microimplants could therefore be defined as systems where intrinsic material properties of existing components are exploited to realize extended functionalities without the need for integration of additional components.