Medica 2020

•••8••• Advanced Systems Engineering Exemplary testing on application cases The medical technology industry is facing major challenges due to digi- talization, newmanufacturing tech- nologies and changes in the regula- tory frame-work. In order to strengthen the innovative power of the SME-driven German medical technology industry, the BMBF joint project “EUREKA-AMeLie: NewAd- vanced Systems Engineering Meth- ods for Development Processes Us- ing Product Examples fromMedical Technology and Lifesciences”, launched in October 2020, aims to create new opportunities for a structure for networked product development. Classical approaches and methods of systems engineer- ing along the V-model will be tested for their applicability with regard to new challenges and are interpreted and redeveloped in a contemporary way, taking into account work-sci- ence aspects. Nowadays products are becom- ing more and more complex - dif- ferent disciplines with networked applications must work together during product development. This is especially true for new products inmedical technology. In particular, small and medium-sized enterpris- es (SMEs) are often not sufficiently prepared for this increasing com- plexity. The new European Medical Device Regulation (MDR) increases the challenge for SMEs with regard to the certification of new and ex- isting products. For example, ex- isting medical devices have to be recertified, modified and verified or validated at great expense. Even materials that already have been certified for use in the human body must now go through the certifica- tion process again. This increases the development times and costs for individual products. New pos- sibilities and paths for a structure for networked product develop- ment are therefore necessary to strengthen the innovative power and competitiveness of the SME- driven German medical technology industry. Architecture framework for SMEs in the field of Advanced Systems Engineering Over the next three years, a Euro- pean consortium in the new BMBF joint project “EUREKA-AMeLie”will develop an architecture framework for medical technology SMEs and develop or revise concepts, guide- lines and directives for the intro- duction and implementation of Ad- vanced Systems Engineering (ASE). Classical approaches and methods of systems engineering along the V-model will be tested for their ap- plicability and will be interpreted and redeveloped in a contemporary way by means of occupational sci- ence aspects. The developed con- cepts will be implemented in the form of software-based applica- tion tools and will be tested, dem- onstrated and validated in four real- life application cases from the fields of in-vitro diagnostics, medical de- vices and implants together with the participating medical technol- ogy companies. The products of all application cases have in common that previous production processes are to be replaced by printingmeth- ods in order to reduce production costs and achieve greater design flexibility. A further technical goal is to developmore robust solutions for the electrical connection of flex- ible thin-film electrode structures to low-resistance and less flexible supply lines. Over 20 years of Fraunhofer IBMT expertise in use The Fraunhofer Institute for Bio- medical Engineering IBMT has been developing medical products for more than 20 years, including active implants and implant components such as electrodes based on thin polymer films. A decisive advan- tage over other substratematerials is their high flexibility, which corre- sponds very well to the mechanical properties of biological tissue. The Fraunhofer IBMT expects that the “EUREKA-AMeLie” research project will provide new methods and tools that can be used advanta- geously in future bilateral projects with industry to better master the complex development of medical technology products. In the “EUREKA-AMeLie” project, the Fraunhofer IBMT is researching processes for printing electrodes on polyurethane substrates using conductive polymers. Furthermore, a process for printing a polyimide substrate and the electrodes, leads and insulation layers is to be devel- oped. In addition to that, the focus is on a new development method- ology using the example of micro- fluidics and its combination with printed electrodes as well as the development of an assembly and interconnection technology com- patiblewith this system for modern cell diagnostics. Innovationen Wie das Herz wirklich schlägt MHH-Forschende widerlegen Lehrbuch-Theorie U nser Herz schlägt unaufhör- lich und von ganz allein – aber nicht immer gleich schnell. Wie der Herzschlag reguliert wird, haben MHH-Forschende jetzt un- tersucht. Unser Herz ist ein Hochleistungs- motor. Ohne Pause pumpt der Hohlmuskel Blut durch den Kör- per und sorgt dafür, dass alle Zellen mit Sauerstoff versorgt werden. Bei einem gesunden Er- wachsenen geschieht das in jeder Minute etwa 60 bis 80 Mal, im Laufe eines Lebens sind das etwa drei Milliarden Herzschläge. Sogar außerhalb des Organismus kann das Herz seine Arbeit mit kons- tanter Frequenz leisten. Denn der Herzschlag entsteht im Herzen selbst. Spezialisierte Herzmuskel- zellen im rechten Vorhof bilden als Schrittmacherzellen den soge- nannten Sinusknoten. Ob unser Herz bei Anstrengung schneller oder im Ruhezustand langsamer schlägt, regulier t das autonome, sogenannte ve- getative Nervensystem. Eine Forschungsgruppe um Profes- sor Dr. Christian Wahl-Schott, Leiter des Instituts für Neuro- physiologie der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH), hat nun in Kooperation mit dem Institut für Pharmakologie für Naturwissenschaften der Lud- wig-Maximilians-Universität München genauer untersucht, wie dieser Mechanismus funk- tioniert und dabei eine gängige Lehrmeinung widerlegt. Die ge- meinsame Studie ist jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröf- fentlicht worden. Schrittmacherzellen sind elekt- risch aktiv. Spezielle Ionenkanäle leiten positiv geladene Teilchen durch die Zellmembranen im Si- nusknoten. Diese HCN-Kanäle (hyperpolarisation-activated cy- clic nucleotid-gated cation chan- nels) werden durch ein bestimm- tes Signalmolekül moduliert, das cAMP (zyklisches Adenosinmono- phosphat). Ionenkanäle stabilisie- ren den Herzrhythmus „Jahrzehntelang galt die Hypo- these, dass eine höhere cAMP- Konzentration die Herzfrequenz erhöht, eine niedrigere den Herz- schlag verlangsamt“, erklärt Professor Wahl-Schott. Doch wi- dersprüchliche Beobachtungen aus der Praxis zogen die Theorie zunehmend in Zweifel. Um die alte Annahme nun molekularbio- logisch zu überprüfen, hat das Forschungsteam bei Mäusen die Bindungsstelle für cAMP in den HCN-Kanälen im Herzen gene- tisch verändert und verhindert, dass der Botenstoff die Kanäle anschaltet. „Die Mäuse haben da- durch zwar einen unregelmäßigen Herzschlag entwickelt“, sagt der Mediziner. „Entgegen der bislang geltenden Vermutung ließ sich der Herzrhythmus aber weiterhin re- gulieren.“ Da die Bindungsstelle zwischen Bo- tenstoff und Ionenkanal bei Maus und Mensch sehr ähnlich sind, las- sen sich die Ergebnisse der Studie vom Tiermodell auf den Menschen übertragen: Sie zeigen, dass vor allem die Ionenkanäle der Unter- einheit HCN4 den Herzrhythmus stabilisieren und überschießende Reaktionen des autonomen Ner- vensystems verhindern. Dr. Christian Wahl-Schott mit einemModell des mensch- lichen Herzens. Foto: Karin Kaiser / MHH Multi-well plate with printed electrodes. Photo: Fraunhofer IBMT / Bernd Müller.