Разработан «вечный» кардиостимулятор без батареек
В Висконсинском университете в Мэдисоне разработали наногенератор для питания кардиостимулятора без батареек. В экспериментах, результаты которых приведены в журнале Science Advances, он превращал энергию сердцебиения в электричество максимальной мощностью до 193,6 мкВт.
Кардиостимуляторы применяются уже 70 лет. Сначала это были устройства с внешним питанием, с развитием электроники они стали миниатюрными и беспроводными; имплантируют их теперь малоинвазивным путем — через вену. Остался один, но очень существенный, особенно для молодых пациентов, недостаток — батарейка. Она занимает до половины объема кардиостимулятора и нуждается в замене каждые 7–10 лет.
На сегодня предложено несколько решений этой проблемы — от тритиевых батарей до пьезоэлектрических и трибоэлектрических наногенераторов. Но до сих пор не было ни одного источника, который вырабатывал бы достаточный для питания схемы ток.
«Одна из главных клинических проблем при ведении пациентов с кардиостимуляторами — необходимость повторных операций по замене батареи. Я с нетерпением жду дня, когда мы сможем имплантировать устройство один раз и на всю жизнь, и наша работа — большой шаг к осуществлению этой мечты», — говорит кардиоэлектрофизиолог Дэниел Модафф, соавтор статьи.
Энергия сердцебиения
За основу (и для дальнейших испытаний) взяли готовый кардиостимулятор самой распространенной модели Medtronic Micra. В него установили медные пластинки, соединенные с полимерной пленкой. Сокращения миокарда изгибают их, и в результате трибоэлектрического эффекта, то есть от трения, вырабатывается энергия, которая питает электронику кардиостимулятора; колебания сглаживаются подключенным параллельно конденсатором.
«Нам нужно было найти баланс между стабильностью и гибкостью, чтобы конструкция выдерживала миллионы циклов колебаний, сохраняя при этом нужные механические характеристики. Пришлось оптимизировать расположение и ширину каждой токоведущей дорожки, а также толщину каждой пластины и подложки», — вспоминает физик-материаловед Пэнфэй Чэнь, ведущий автор исследования.
Внимание к деталям окупилось. Испытания в лаборатории показали, что наногенератор способен выдавать 276,6 микроватт на кубический сантиметр. Это гораздо больше, чем у аналогов, и вполне достаточно для бесперебойной работы кардиостимулятора.
«Для подобного устройства важно не просто генерировать энергию — важнее объемная плотность мощности. Нужно получить достаточно энергии в достаточно малом объеме. Наша технология обеспечивает плотность мощности на порядок выше, чем у предыдущих наногенераторов», — объясняет профессор Сюйдун Ван, руководивший разработкой.
Протестировали на свинье
Прототип вживили свинье и в течение месяца наблюдали за ней. Кардиостимулятор успешно выполнял свои функции и не вызвал побочных эффектов, кроме тех, что свойственны обычным устройствам на батарейках. Однако в сердце свиньи наногенератор не достигал тех же пиковых показателей мощности, что в лабораторных условиях — мышца мягкая и скорее скручивается, нежели совершает вертикальные движения, наиболее эффективные для работы генератора.
Эти проблемы предстоит решить, прежде чем можно будет переходить к испытаниям на людях. Ван и Чэнь продолжают дорабатывать конструкцию и настроены оптимистично — они уверены, что преодолеют оставшиеся инженерные трудности.
