De toenemende vraag naar implanteerbare medische hulpmiddelen, met name hart- en vaatziekten, defibrillatoren en linkerventrikelhulpmiddelen (LVAD's), heeft de ecologische voetafdruk van de gezondheidszorg scherp in de gaten gehouden. Hoewel deze levensreddende technologieën de patiëntresultaten drastisch hebben verbeterd, genereren hun productie, gebruik en verwijdering aanzienlijk afval en verbruiken niet-hernieuwbare hulpbronnen. Het ontwerpen van milieuvriendelijke hartapparaten met duurzame materialen is niet alleen een milieuideaal .Het is een praktische noodzaak die ecologische schade kan verminderen, de fabricagekosten kan verlagen en zelfs de prestaties van apparaten en de veiligheid van patiënten kan verbeteren. Door het herdenken van materiaalkeuzes, productieprocessen en eind-van-levensstrategieën kan de medische apparatuurindustrie zich afstemmen op bredere mondiale duurzaamheidsdoelstellingen zonder afbreuk te doen aan de klinische effectiviteit.

De groeiende behoefte aan duurzame hartapparaten

Elk jaar worden wereldwijd meer dan een miljoen pacemakers en honderdduizenden implanteerbare cardioverter-defibrillators (ICD's) geïmplanteerd. Een typische pacemaker bevat een lithium-jood batterij, titanium of roestvrijstalen behuizing, polyurethaan leads, en een verscheidenheid aan elektronische componenten die niet biologisch afbreekbaar zijn en gevaarlijke stoffen bevatten. Wanneer deze apparaten het einde van hun levensduur bereiken (meestal 5

Milieuvoetafdruk van conventionele voorzieningen

  • Niet-afbreekbare kunststoffen die worden gebruikt in loodisolatie en apparaatbehuizingen, blijven eeuwenlang in de omgeving bestaan, waardoor microplastics vrijkomen terwijl ze afbreken.
  • Hazarde chemicaliën zoals ftalaten, bisfenol A (BPA) en vlamvertragers zijn vaak aanwezig in traditionele materialen, uitspoeling in de bodem en water na verwijdering.
  • Energie-intensieve productieDe productie van titanium- en lithiumbatterijen vereist een hoge temperatuurverwerking en een aanzienlijk verbruik van fossiele brandstoffen, wat bijdraagt tot de uitstoot van broeikasgassen.
  • Lage recyclingpercentages]Er zijn momenteel minder dan 5% van de geëxplanteerde hartapparaten gerecycled of opnieuw verwerkt, vanwege wettelijke belemmeringen, infectierisico's en het ontbreken van vastgestelde terugnameprogramma's.

De cumulatieve milieubelasting is aanzienlijk.Een levenscyclusbeoordeling (LCA) van een typische eenkamerpacemaker schat een CO2-voetafdruk gelijk aan ongeveer 1.500 kg CO2 die vergelijkbaar is met het besturen van een benzinemotorwagen gedurende 6000 km. Dit over de hele wereld laten implantatenpopulatie miljoenen ton CO2-uitstoot en tienduizenden tonnen persistent afval per jaar zien. Het verminderen van deze effecten vereist een systemische verschuiving naar duurzame materialen en circulaire ontwerpprincipes.

Innovatieve materialen voor eco-vriendelijke hartapparaten

De vooruitgang in biomaterialen en groene chemie hebben levensvatbare alternatieven voor conventionele metalen en polymeren gecreëerd. Het ideale duurzame materiaal voor hartimplantaten moet in balans zijn biocompatibiliteit, biologische afbreekbaarheid[ (of recycleerbaarheid), mechanische sterkte, en stabiliteit op lange termijn binnenin het lichaam.

Biologisch afbreekbare polymeren

Polymeren die van nature afbreken tot goedaardige bijproducten zijn veelbelovend voor tijdelijke implantaten, zoals lood, isolatiecoatings en drug-eluterende lagen. Polymelkzuur (PLA) en polyhydroxyalkanoaten (PHA) zijn koplopers:

  • PLA is afgeleid van hernieuwbare bronnen zoals maïszetmeel of suikerriet. Het degradeert via hydrolyse in melkzuur, dat door het lichaam wordt gemetaboliseerd. Voor cardiale toepassingen wordt PLA onderzocht op bioresorbeerbare stentcoatings en tijdelijke pacing leads.
  • PHA wordt geproduceerd door microbiële fermentatie en vertoont uitstekende biocompatibiliteit en aftaanbare afbraaksnelheden. Het gebruik ervan in implanteerbare apparaten is nog in een vroeg stadium, maar op PHA gebaseerde films tonen belofte voor het verminderen van ontstekingen.

Andere biologisch afbreekbare polymeren die worden onderzocht zijn polycaprolacton (PCL), poly(glycolzuur) (PGA) en copolymeren zoals poly(lactic-co-glycolzuur) (PLGA). Deze materialen kunnen worden aangepast om weken tot maanden te afbreken, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen waar tijdelijke ondersteuning of levering van geneesmiddelen nodig is.

Recycleerbare en bioresorbeerbare metalen

Traditionele titanium- en roestvrijstalen componenten zijn zeer duurzaam maar moeilijk te reproduceren na explantatie. Opkomende alternatieven richten zich op metalen die gemakkelijk kunnen worden gerecycled of volledig kunnen worden afgebroken in het lichaam nadat hun functie is voltooid:

  • Titaniumlegeringen blijven een hoofdsteun voor de behuizingen van apparaten vanwege hun sterkte-gewichtsverhouding en corrosiebestendigheid. Door het gebruik van gerecycleerd titaniummateriaal vermindert het mijneffect en het energieverbruik met maximaal 60%.
  • Magnesiumlegeringen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
  • Op zink gebaseerde legeringen degraderen langzamer dan magnesium, waardoor een breder venster voor weefselgenezing wordt geboden. Onderzoek naar elektroden op basis van zinkoxide voor voorbijgaande hartapparaten is gaande.
  • IJzerhoudende metalen kunnen langzaam afbreken en kunnen worden gelegeerd om mechanische eigenschappen aan te passen; ze worden onderzocht op loodcomponenten in volledig bioresorbeerbare pacemakersystemen.