Self-sufficient Electromechanical Implants: Enabling Piezoelectric Functionality for in vivo Devices

Piezoelektriske materialer innehar den unike egenskapen å kunne skape en elektrisk ladning når man pålegger dem et mekanisk trykk. Dette elektriske signalet utnyttes i en mengde dagligdagse innretninger, alt i fra trykkfølsomme sensorer i skjermer og biler til vibrasjonsdemping i fly. Men hva om vi kunne gjøre piezoelektriske materialer pålitelige og funksjonelle også inne i menneskekroppen og bruke de genererte elektriske signalene, som er kjent for å forbedre vevsreparasjon og som kan drive elektriske komponenter eller brukes som sensorsignal, til medisinske formål? Dette kan gi oss en helt ny type implantater, som f.eks. ved at de stimulerer og øker aktiviteten til nerve- og bein- reparerende celler eller som sensorenheter i allerede eksisterende implantatmaterialer eller at de brukes i systemer hvor legemidler kan leveres innenfra. Hvordan man lager pålitelige sensorer og vibrasjonsstyringsenheter basert på piezoelektriske materiale er i dag kjent teknologi. Hvordan disse materialene samspiller med, og kan fungere i menneskekroppen, er derimot et uutforsket område. Miljøet i kroppen bestemmes av forskjellige væsker, og det er grunnleggende å forstå prosessene i grensesnittet mellom kroppsvæskene og det kunstige materialet for å kunne utvikle et pålitelig og funksjonelt implantat. EPIC vil utvikle en ny målemetode som gjør det mulig å bestemme den piezoelektriske funksjonaliteten i flytende omgivelser som etterligner betingelsene implantatet utsettes for inne i kroppen. Våre første undersøkelser viste at stabiliteten til det funksjonelle materialet i en væske som ligner på blodplasma avhenger av materialets dielektriske egenskaper, spesielt av de elektriske ladningene som er tilstede på overflaten. Det peker mot et nært forhold mellom funksjonaliteten og stabiliteten som er avgjørende å forstå for å lage sikre implantater.

Functional biomedical materials that actively communicate with the body, e.g. by monitoring body functions or promoting full body recovery, are highly desirable in terms of patients life quality and health care costs. The main challenge for their realization is the demanding liquid environment inside the body, where they must remain reliably functional without causing harm. Piezoelectric materials generate electric surface potentials when subjected to a mechanical load. Let us assume we could make them reliably functional inside the body and exploit this electromechanical coupling. This would provide us with a whole new aspect of functionality for biomedical implants. We could for the first time realize devices, which self-sufficiently generate electric signals in vivo that can be utilized to improve tissue repair and can be harvested to power implanted electronics. EPIC will contribute to this goal in two ways: it will clarify the functionality of piezoelectrics in a liquid environment by studying the electrostatic interaction of both constituents mimicking chemical and electric conditions of an in vivo scenario. For this, an experimental setup will be developed combining the autonomous electric signal generation of the piezoelectric effect with a contact-less measurement utilizing streaming potentials. Beyond pure functionality, EPIC will map the mechanisms determining the reliability of piezoelectrics by clarifying the origins of chemical degradation at the solid-liquid interface and their impact on piezoelectric functionality. The project is set to demonstrate the potential of the most promising piezoelectric systems for usage in liquid environments and to unfold the relationships between interfacial processes and materials functionality. This will enable application-targeted design of piezoelectric materials and their development into functional and safe biomedical implants.