Bioresorbable Wireless Resonance Sensors : Materials and processes

Abstract

Implantoitavat anturit saavat osakseen kasvavaa huomiota, koska ne pystyvät tuottamaan paikallista tietoa kehon sisältä. Tätä tietoa voidaan käyttää esimerkiksi havaitsemaan komplikaatioita kirurgisen operaation jälkeen. Bioresorboituvat anturit, jotka hajoavat kehon sisällä ja jotka kehon aineenvaihdunta pystyy lopulta poistamaan, ovat lupaava teknologia moniin väliaikaisiin mittauksiin. Koska tällaiset anturit hajoavat kehossa, vältytään ylimääräisiltä komplikaatioriskeiltä, jotka liittyvät pitkäaikaisiin antureihin tai niiden poisto-operaatioihin.

Tämä väitöskirja käsittelee bioresorboituvia materiaaleja ja niiden ominaisuuksia sekä valmistusmenetelmiä langattomissa ortopedisissä antureissa. Työssä käsitellään kela-kondensaattori-värähtelypiireihin perustuvia antureita niiden yksinkertaisen rakenteen ja langattoman lukutekniikan vuoksi. Johtuen bioresorboituvien materiaalien haastavasta prosessoinnista, tutkittiin projektin alussa ensin ei- hajoavista materiaaleista valmistettuja antureita. Tämän jälkeen valmistettiin bioresorboituvia keloja. Vastaavia periaatteita hyödyntäen valmistettiin lopulta langattomia antureita bioresorboituvista materiaaleista.

Anturien johtimet valmistettiin pääosin höyrystämällä kalvoja magnesiumista (Mg) polymeeri- tai lasialustoille, mutta myös sputteroituja sinkkikalvoja (Zn) sekä kaupallista molybdeenilankaa (Mo) tutkittiin. Yhtä paksujen magnesium- ja sinkkikalvojen resistansseissa ei havaittu merkittäviä eroja, joten sinkin pääteltiin tarjoavan hitaammin hajoavan vaihtoehdon yleisesti käytetylle magnesiumille. Tässä tutkimuksessa sinkkikalvojen paksuutta rajoitti kuitenkin polymeerialustan liiallinen lämpeneminen prosessin aikana.

Tutkimuksessa käytettiin anturien alustoina (substraatteina) perinteisiä ei-hajoavia piirilevyjä, bioresorboituvia polymeeriruuveja, bioresorboituvia metalloituja polymeerikuituja ja -levyjä sekä bioaktiivisesta lasista valmistettuja kiekkoja. Bioresorboituvat anturit voitiin lukea korkeintaan noin 15 mm etäisyydeltä, kun taas ei-hajoavien antureiden korkein mahdollinen lukuetäisyys oli 23 mm. Mitattavia suureita olivat paine, ruuvien puristuma sekä anturien ympäristön kompleksinen permittiivisyys. Tarkimmin tutkittiin polymeerialustoille valmistettuja paineantureita, joiden käyttäytyminen oli yhteneväistä tavallisissa huoneolosuhteissa. Yksi antureista oli langattomasti luettavissa ja paineeseen reagoiva (0-200 mmHg) 10 päivän ajan simuloiduissa kehon olosuhteissa. Sen stabiilisuus ei kuitenkaan ollut riittävällä tasolla käytännön sovelluksiin. Tulosten perusteella anturiin tunkeutunut vesi aiheutti sen toiminnan heilahtelut reagoimalla magnesiumjohtimien kanssa ja aiheuttamalla muutoksia anturin rakenteeseen.

Yhteenvetona voidaan sanoa, että väitöskirjassa valmistettujen antureiden rakenne oli yksinkertainen, mikä mahdollisti niiden kokoamisen vain muutamalla prosessivaiheella. Suunnittelemalla anturin rakenne eri tavoin oli mahdollista tehdä useita erityyppisiä mittauksia, mikä mahdollistaa monia ortopedisiä sovelluksia. Erityisesti anturien melko heikon stabiilisuuden parantaminen vaatii tulevaisuudessa lisätutkimuksia. Lisäksi anturien rajoitettu lukuetäisyys voi rajata mahdollisia käytännön sovelluksia. Tutkimuksen tulokset tarjoavat hyvän vertailukohdan oikeiden bioresorboituvien materiaalien valitsemiseen jatkossa.

Implantable sensors are gaining increasing attention due to their ability to provide local information from inside the body. This information can be used for example to detect complications after a surgical operation. Bioresorbable sensors that are ultimately metabolized by the body are a promising technology for many applications where the monitoring need is only temporary. As these materials are cleared from the body without a removal surgery, they hinder the complication risks related to long-term implantation of non-degradable devices or their removal.

This thesis addresses bioresorbable materials, their performance and fabrication methods related to orthopedic inductor-capacitor circuit-based wireless sensors. The sensing method was chosen due to the wireless readout and simple structure of the sensors. Due to the delicate nature of bioresorbable materials, the project was started by studying sensors made from conventional non-degradable materials. Thereafter, bioresorbable inductor coils were fabricated. Finally, similar fabrication principles were applied to build functional fully bioresorbable sensors.

The conductors were mainly made by evaporating magnesium (Mg) films onto polymeric or glass substrates, but also sputtered zinc (Zn) films and commercial molybdenum (Mo) wire were used. No significant differences in the resistances of the Mg and Zn films of similar thicknesses were noticed. Thus, Zn was estimated to offer a similarly conducting but slower degrading alternative for commonly used Mg. In this study, the thickness of the sputtered Zn conductors was limited due to excessive heating of the polymer substrates.

The sensor substrates used in the study included conventional printed circuit boards, bioresorbable polymeric screws, bioresorbable metallized polymer fibers and sheets, as well as bioactive glass discs. The fabricated bioresorbable sensors were wirelessly readable up to distances of about 15 mm, as compared to the non- degradable sensor with 23 mm. Different measurands included pressure, compression of the screws and complex permittivity of the sensor environment. The polymer-based pressure sensors were most rigorously studied, and their performance was uniform in ambient conditions. One of the pressure sensors was wirelessly readable and responsive to pressure (0-200 mmHg) for 10 days in simulated physiological conditions, but its stability should be improved for practical applications. The results indicate that the deterioration of the sensor performance was caused by water, which diffused into the sensor substrates and thus corroded the metal conductors, causing dimensional changes to the sensor structure.

In summary, the fabricated devices included simple sensor architectures that could be assembled with only few processing steps. It was shown that depending on the sensor design, different measurements and thus various orthopedic applications could be possible. However, especially the relatively poor stability of the bioresorbable sensors requires attention in the future. In addition, the short-range reading distances may limit potential clinical applications. Nevertheless, the presented results provide a good reference point for choosing the right bioresorbable materials for future studies.