Международная группа ученых предложила способ отказаться от постоянных замены кардиостимуляторов из-за их разрядки. Исследователи разработали миниатюрный генератор, который вырабатывает электричество за счет самих сокращений сердца. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances.
Безэлектродные кардиостимуляторы появились в клинической практике в середине 2010-х годов. В отличие от традиционных систем, им не нужны подкожный блок и электроды, проходящие к сердцу. Это снижает риск инфекций и механических повреждений. Однако проблема источника питания остается: батареи рассчитаны примерно на 8–17 лет, после чего устройство приходится заменять.
Процедура замены
Такая процедура особенно сложна именно для безэлектродных моделей. Небольшую капсулу фиксируют внутри правого желудочка, поэтому извлечение старого аппарата может быть рискованным. В некоторых случаях его отключают и оставляют в сердце, а новый кардиостимулятор устанавливают рядом. По данным предыдущих исследований, серьезные осложнения и повторные вмешательства при использовании таких систем встречаются менее чем в 5% случаев.
Чтобы увеличить срок службы имплантов, исследователи давно ищут альтернативные источники энергии. Рассматривались тепло человеческого тела, движение крови, дыхание и механическая работа сердца. Главная проблема заключается в размерах: генератор должен быть достаточно маленьким, чтобы поместиться внутри кардиостимулятора, не мешать работе органа и при этом выдерживать миллионы циклов нагрузки.
Новый генератор
Созданное устройство рассчитано именно на эти ограничения. Генератор удалось разместить внутри корпуса серийного безэлектродного кардиостимулятора вместо батареи, не увеличивая размеры всей капсулы.
Конструкция включает два миниатюрных механических элемента, расположенных по обе стороны от электронной части устройства. Каждый состоит из пары тонких пластин: одна покрыта медью, другая — специальной полимерной пленкой. Когда сердце сокращается, пластины сближаются, соприкасаются и затем расходятся. За счет этого возникает электрический заряд, который может непосредственно поступать к электронике кардиостимулятора либо накапливаться в небольшом конденсаторе.
Разработка потребовала точного подбора параметров конструкции. Ученым пришлось рассчитать толщину пластин и подложки, размеры проводников и жесткость элементов. Слишком жесткий механизм недостаточно эффективно реагировал бы на движение сердца, а чрезмерно мягкий мог бы деформироваться и потерять рабочие характеристики. При этом генератор должен сохранять работоспособность после миллионов повторяющихся циклов.
На стенде устройство продемонстрировало максимальную мощность 276,6 микроватта на кубический сантиметр. По расчетам авторов, этого показателя достаточно для питания кардиостимулятора.
Затем систему имплантировали свинье и в течение месяца наблюдали за ее работой. Генератор обеспечивал энергией электронную часть устройства, а кардиостимулятор в свою очередь подавал электрические импульсы, вызывавшие сокращения сердца. Исследование тканей вокруг импланта не показало заметной реакции, отличающейся от той, которая возникает при использовании обычного внутрисердечного устройства.
Когда разработка дойдёт до людей
До практического применения технологии еще далеко. Эксперимент провели только на одном животном, а период наблюдения составил всего месяц. Кроме того, непосредственно в сердце генератор вырабатывал меньшую пиковую мощность, чем в лабораторных испытаниях.
Исследователи связывают это прежде всего с особенностями движения сердца. Мягкие ткани поглощают часть механической энергии, а само сердце при сокращении не просто сжимается и расслабляется: оно одновременно совершает сложное скручивающее движение. Разработанный генератор эффективнее работает при более равномерном сближении и расхождении пластин.
Следующим этапом для ученых станет адаптация конструкции к реальной биомеханике сердца и проверка ее долговечности при значительно более длительной эксплуатации. Если эти задачи удастся решить, технология потенциально позволит создавать безэлектродные кардиостимуляторы, которым не потребуется замена батареи после нескольких лет работы.