Rozruszniki serca mają istotny problem związany z zasilaniem. Zespół naukowców z Uniwersytetu Wisconsin-Madison opracował innowacyjny nanogenerator, który jest częścią bezelektrodowego urządzenia, zdolnego do pozyskiwania energii bezpośrednio z uderzeń serca. Prototyp przeszedł miesięczny eksperyment na modelu świni, jednak droga do badań klinicznych na ludziach jest nadal pełna wyzwań.
Rozruszniki są wprowadzane do serca przez żyłę udową bezpośrednio do prawej komory, co eliminuje konieczność chirurgicznego wytwarzania kieszeni pod skórą klatki piersiowej i stosowania przewodów, jak w przypadku starszych modeli. Problematycznym elementem pozostaje bateria, która stanowi ponad połowę objętości i masy urządzenia. Według badań wytrzymuje ona od 7 do 10 lat. Po jej wyczerpaniu lekarze często decydują się na pozostawienie wyczerpanego elementu w sercu, dodając nową jednostkę, ponieważ usunięcie starego wiąże się z większym ryzykiem. Dla młodszych pacjentów może to prowadzić do serii zabiegów chirurgicznych w ich całym życiu, co sprawia, że odzyskiwanie energii z ruchów serca staje się sensownym kierunkiem rozwoju długoterminowych rozwiązań.
Produkcja prądu między warstwami
Podstawą konstruktów opisanych w czasopiśmie Science Advances jest podwójny oscylacyjny generator tryboelektryczny. Każdy z jego segmentów zawiera pary płytek elektrodowych, z których jedna strona pokryta jest miedzią, a druga fluorowanym polimerem FEP. Ruch generowany przez uderzenia serca dociska te warstwy o przeciwnych ładunkach, umożliwiając ich rozdzielenie. Cykl kontaktu i rozdzielenia wytwarza ładunek elektryczny: podobnie jak w elektryczności statycznej, ale w kontrolowanym i miniaturowym układzie.
Uzyskana w ten sposób energia może zasilać elektronikę rozrusznika lub być gromadzona w małym kondensatorze. Udowodnienie, że takie zasilanie jest możliwe, nie stanowiło żadnego problemu. Wyzwanie stanowi osiągnięcie równowagi między elastycznością a odpornością na miliony powtarzających się odkształceń, ponieważ serce pracuje nieprzerwanie. Zespół badawczy precyzyjnie dobierał grubość płytek, ich umiejscowienie oraz szerokość przewodów, aby zachować odpowiednią mechaniczną funkcjonalność. W efekcie, dwa moduły zmieściły się nad i pod centralnym pakietem elektroniki, zajmując przestrzeń, która normalnie zajmowana jest przez baterię rozrusznika Micra.
Nowy generator osiąga 276,6 mikrowatów na centymetr sześcienny
Warto podkreślić, że to właśnie ten parametr jest kluczowy, gdyż energia wewnętrzna w rozruszniku jest cenna względem objętości. Zgodnie z badaniami, uzyskana moc była wystarczająca do samodzielnego zasilenia stymulatora serca i przewyższała dotychczasowe modele, które próbowały rozwiązać ten problem- jednocześnie zachowując rozmiary umożliwiające integrację w standardowej architekturze urządzeń dostępnych na rynku.
Warto zaznaczyć, że przełomowe próby odbyły się w przypadku serca świni. Prototyp był wszczepiony przez miesiąc, a podczas testów funkcjonalnych zebrana energia umożliwiała normalną stymulację serca. Badacze nie odnotowali reakcji wykraczających poza to, co obserwuje się w klasycznych bezelektrodowych rozrusznikach. Ustalono jednak, że szczytowa moc generatora w tych warunkach była nieco niższa od przewidywań laboratoryjnych.
Problem z prawdziwym sercem
Podczas testów oscylator działał w uporządkowanym ruchu górnym i dolnym, dla którego został w pełni zoptymalizowany. Serce jednak kurczy się i rozkurcza w sposób nieregularny, dodatkowo skręca się, a tkanka miękka tłumi wychylenia mechanizmu. Badacze pracują nad skuteczniejszym przekształcaniem naturalnego ruchu mięśnia w powtarzalne oscylacje. Postawili sobie jasny cel: uzyskanie wystarczającej mocy w organizmie przez dłuższy czas, co umożliwiłoby stworzenie implantu na całe życie.
Czytaj również: Ta bateria zrewolucjonizuje rynek? Ładuje się w 3 minuty
W ten sposób wkraczamy w obszar medycyny translacyjnej oraz do świata zbliżonego do wizji futurystów. Mimo obiecujących wyników, komercjalizacja oraz badania kliniczne z udziałem ludzi mogą zająć jeszcze wiele lat. Próba z zastosowaniem serca świni miała ogromne znaczenie, ale musimy pamiętać, że u ludzi serce bije nieco inaczej. Dodatkowo, będzie to serce w pewien sposób osłabione, co może obniżyć jego wydajność. Wiemy, że taki rozrusznik ma potencjał, aby czerpać energię wyłącznie z bicia serca i wykorzystywać ją do stymulacji. Teraz kluczowe będzie rozwiązanie bieżących problemów oraz kontynuacja testów. Moim zdaniem, to tylko kwestia czasu, kiedy zobaczymy postępy w tej dziedzinie.