Американские ученые разработали электрокардиостимулятор, которому не требуется замена батареи или подзарядка. Устройство получает энергию от сокращений самого сердца и уже прошло испытания на свиньях, говорится в исследовании, опубликованном в журнале Science Advances.

Кардиостимуляторы начали применять в 1950-х годах. Первые устройства были громоздкими и подключались к сердцу с помощью проводов, а их батареи приходилось регулярно менять. В 1958 году появились первые полностью имплантируемые модели. За последующие десятилетия стимуляторы становились меньше, получали более совершенные системы управления и более емкие батареи.

В 2010-х годах получили распространение безэлектродные кардиостимуляторы, которые имплантируют непосредственно в сердце через вену. Они избавляют пациентов от ряда осложнений, связанных с проводами и подкожным блоком устройства. Однако срок работы их батарей остается ограниченным, а замена или удаление стимулятора после разрядки может быть сложнее, чем у традиционных моделей. Это особенно актуально для молодых пациентов, которым в течение жизни может потребоваться несколько таких устройств.

Поэтому ученые несколько лет пытаются создать кардиостимулятор, способный самостоятельно получать энергию из организма. В 2019 году исследователи уже продемонстрировали на свиньях имплантируемый трибоэлектрический наногенератор, который преобразовывал движение сердца в электричество и обеспечивал работу экспериментального стимулятора.

Ученые под руководством Пэнфэя Чэня из Висконсинского университета в Мадисоне разработали новую систему из двух осциллирующих трибоэлектрических генераторов. Их разместили над и под электронным блоком безэлектродного кардиостимулятора Micra.

Осцилляторы состоят из пар электродов, соединенных проводами. Одна сторона покрыта медью, другая — пленкой из фторированного этиленпропилена (FEP).

При сокращении сердца осцилляторы сближаются, а заряженные поверхности взаимодействуют друг с другом. При последующем разделении между ними возникает электрический ток. Он используется для работы стимулятора или накапливается во встроенном конденсаторе.

«Для подобных девайсов важно не само производство энергии. Наиболее важным является ее плотность. Вам нужно получить достаточно много энергии из небольшого объема, — пояснил соавтор работы Ван Сюйдун. — С нашей технологией мы достигли плотности выходной мощности на порядок выше, чем в предыдущих наногенераторах».

Разработка потребовала многочисленных экспериментов. По словам Чэня, ученым пришлось искать баланс между стабильностью и гибкостью конструкции, чтобы устройство могло совершать миллионы циклов и при этом сохранять необходимые механические свойства.

В лабораторных условиях устройство вырабатывало 276,6 микроватта на кубический сантиметр. Это, по данным авторов исследования, значительно выше показателей предыдущих аналогичных разработок.

Затем ученые имплантировали прототип в сердце свиньи и наблюдали за его работой в течение месяца. Наногенератор выполнял свои функции и не вызывал нежелательных явлений, которые превышали бы риски, характерные для обычных кардиостимуляторов.

При этом в организме животного устройство не достигло максимальной мощности, зафиксированной в лаборатории. Исследователи связывают это с тем, что сердечная ткань мягкая и поглощает часть механической энергии, необходимой для движения осцилляторов.

Кроме того, движение сердца отличается от наиболее эффективного для генератора движения вверх-вниз: в реальности сердечная мышца преимущественно совершает сложные, в том числе вращательные и скручивающие движения.

Ученым еще предстоит решить эти проблемы, а также провести дополнительные испытания, необходимые для оценки безопасности и надежности устройства. Его сертификация и возможное применение у людей могут занять годы.

«Я представляю мир, где мы можем имплантировать человеку один девайс, который будет работать всю жизнь, и это большой шаг на пути к реализации этой идеи», — пояснил соавтор исследования Дэниэль Модафф.

Пока технология остается экспериментальной. Обзоры разработок в области кардиостимуляторов, работающих без батарей, отмечают, что для их практического применения необходимо решить вопросы эффективности преобразования энергии, биосовместимости, долговечности и стабильности работы.