Батарейки больше не нужны: инженеры заставили орган вырабатывать ток для своей работы

Международная группа инженеров разработала генератор энергии для безэлектродных кардиостимуляторов, который работает за счет сокращений самого сердца. Устройство позволяет заменить традиционную батарею, что в будущем может избавить пациентов от необходимости повторных операций по замене импланта. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances.

Проблема современных безэлектродных стимуляторов заключается в том, что они закрепляются внутри правого желудочка. Когда батарея разряжается (обычно через 8-17 лет), извлечь капсулу сложно, поэтому ее часто оставляют в сердце, имплантируя новый прибор рядом. Созданный генератор решает эту задачу, преобразуя механическую энергию сердцебиения в электричество.

Принцип работы и конструкция

Разработчики интегрировали в корпус стимулятора два миниатюрных колебательных элемента. Они состоят из пар тонких пластин, где одна сторона покрыта медью, а другая — полимерной пленкой. При каждом сокращении сердечной мышцы пластины сближаются и расходятся, создавая электрический заряд. Эта энергия либо сразу поступает к электронике, либо накапливается в конденсаторе.

При создании устройства основной задачей был подбор жесткости конструкции. Слишком твердый механизм не реагировал бы на движения сердца, а слишком мягкий быстро деформировался бы. Инженерам удалось сохранить габариты серийного безэлектродного стимулятора, не увеличивая размер капсулы.

Биофизик Алексей Корнилов отмечает, что эффективность таких систем напрямую зависит от согласованности механических свойств материала и биодинамики тканей, чтобы устройство не вызывало раздражения стенок желудочка при постоянных колебаниях.

Результаты испытаний

На стендовых испытаниях генератор показал мощность 276,6 мкВт/см³, чего достаточно для питания кардиостимулятора. Затем прибор имплантировали в сердце свиньи. В течение месяца наблюдений устройство стабильно обеспечивало работу стимулятора, а импульсы вызывали сокращения сердца. Анализ тканей показал, что генератор не вызывает патологических реакций по сравнению с обычными имплантами.

Однако работа выявила существенное ограничение: в живом организме пиковая мощность оказалась ниже, чем на стенде. Это связано с тем, что сердце при сокращении не просто сжимается, а скручивается, в то время как механизм эффективнее работает при линейном движении пластин. Кроме того, мягкие ткани организма частично гасят колебания.

На данный момент эксперимент был проведен на одном животном в течение короткого срока. Для подтверждения надежности системы и долговечности материалов потребуются длительные испытания на более крупной выборке, а также доработка механизма под сложную геометрию сокращений сердца.