Пациентам, страдающим сердечно-сосудистыми заболеваниями, В одной только Германии ежегодно имплантируют более 70 тысяч кардиостимуляторов. В этих приборах установлены батареи, средний срок службы которых на сегодняшний день составляет 8,5 лет. Это означает, что пациент с таким кардиостимулятором вынужден (и даже, возможно, не один раз) ложиться на операцию для замены источника питания. Щадящей такую практику никак не назовешь. Поэтому исследователи из разных стран давно работают над созданием таких источников питания для имплантируемых устройств, которые позволили бы обойтись без повторных операций.

В частности, в Германии группа специалистов Института микросистемной техники при Фрайбургском университете под руководством Свена Керценмахера (Sven Kerzenmacher) пытается реализовать идею миниатюрного топливного элемента на основе использования собственных биологических жидкостей пациента. Свен Керценмахер поясняет: "В теле человека всегда присутствуют глюкоза и кислород. Глюкоза - это основное биологическое топливо организма, внутренний источник энергии, обеспечивающий процессы обмена веществ, так что идея использовать его для питания кардиостимулятора напрашивается сама собой".

Впервые идею реализовали полвека назад

Мысль об автономном источнике питания имплантируемых протезов отнюдь не нова. Первые кардиостимуляторы работали от миниатюрных аккумуляторов, которые нужно было регулярно подзаряжать снаружи бесконтактным способом. В 60-е годы, появились проекты, призванные избавить больных от регулярной подзарядки аккумуляторов, а в 70-е годы были даже созданы первые прототипы источников питания на основе глюкозы. "Первые эксперименты на животных, которые были проведены тогда же, - говорит Свен Керценмахер говорит, - показали, что это устройство способно на протяжении 5 месяцев снабжать кардиостимулятор достаточным количеством электроэнергии, не выходя из строя и не причиняя вреда подопытному животному. Однако затем программу исследований в этом направлении свернули, поскольку был достигнут значительный прогресс в технологии производства батарей".

Продолжительность жизни растет, количество имплантатов - тоже

Но жизнь показала, что и самых современных батарей пока все же не хватает на то, чтобы снабжать энергией кардиостимулятор до конца жизни пациента, тем более что средняя продолжительность жизни таких больных, как и населения в целом, неуклонно растет. Кроме того, сегодня вполне обычным делом стали уже не только кардиостимуляторы, но и некоторые другие имплантируемые протезы - например, нейростимуляторы или, скажем, кохлеарные имплантаты для людей, страдающих тяжелой потерей слуха. Функция кохлеарного имплантата состоит в том, что он стимулирует электрическими импульсами волокна слухового нерва в улитке. Сегодня питание такого имплантата осуществляется с помощью особого устройства, закрепленного снаружи на голове пациента. "Если бы мы смогли реализовать схему, при которой энергию, необходимую для работы кохлеарного имплантата, поставлял сам организм, это чрезвычайно повысило бы качество жизни пациента", - говорит Свен Керценмахер.

Главный секрет - в пористой платиновой пленке

Ключевым компонентом создаваемого фрайбургскими учеными автономного источника питания являются электроды, на которых, собственно, и происходит та химическая реакция, что призвана обеспечить имплантат электроэнергией. "Один электрод нашего топливного элемента представляет собой тонкую пленку, нанесенную на керамическую пластину площадью примерно 2 на 2 сантиметра, - поясняет Свен Керценмахер. - Электрод изготовлен из платины. Он кажется совершенно гладким, даже блестит почти как зеркало, но на самом деле имеет чрезвычайно пористую структуру".

Суммарная площадь внутренней поверхности пор в три тысячи раз превышает номинальную площадь, занимаемую платиновой пленкой на пластине. А пластина, в свою очередь, встроена в полимерную рамку размером 4 на 4 сантиметра. Эта композиция служит анодом. "Здесь происходит окисление глюкозы, ее превращение в глюконовую кислоту, - поясняет разработчик. - При этом высвобождаются электроны - по два от каждой молекулы. Они протекают через устройство-потребитель, в данном случае через кардиостимулятор, и устремляются ко второму электроду топливного элемента - катоду. Это тоже платиновая пленка, только менее пористая. И там кислород восстанавливается до воды".

5 микроватт - много это или мало?

Площадь электродов опытного образца топливного элемента составляет около одного квадратного сантиметра, при этом его мощность достигает 5 микроватт. На первый взгляд, 5 миллионных долей ватта - ничтожная величина, но на самом деле, это лишь вдвое меньше, чем необходимо для питания кардиостимулятора. "Если мы сделаем наш топливный элемент немного больше, то вырабатываемой им энергии окажется вполне достаточно, - говорит Свен Керценмахер. - Вообще же мы надеемся, что нам удастся разместить источник питания на поверхности самого кардиостимулятора. Тогда хирургам не придется вживлять отдельный блок питания. То есть наша цель - кардиостимулятор, на поверхность которого нанесено покрытие, производящее энергию".

Впрочем, исследователям предстоит еще испытать свой глюкозный топливный элемент на безопасность и на биосовместимость: не причиняет ли он вреда организму пациента и не вызывает ли реакцию отторжения.

Неприятное свойство аминокислот

Однако главное препятствие на пути к внедрению такого источника питания в практику - особенности организма человека. До сих пор лабораторные эксперименты проводились со стерильным раствором глюкозы. "Но это вовсе не та реальная биологическая жидкость, с которой придется иметь дело нашему источнику питания в живом человеческом организме, - говорит ученый. - По концентрации глюкозы и кислорода - аналогия полная. Но в биологических жидкостях присутствуют еще и белки, и аминокислоты. И мы уже знаем, что у аминокислот есть неприятное свойство оседать на наших платиновых электродах. А это, естественно, снижает производительность всего устройства. Поэтому главная наша задача на сегодняшний день - найти решение этой проблемы".

Работы займут лет десять, не меньше, но усилия стоят того, считает Свен Керценмахер, уже хотя бы из финансовых соображений: "Расходы на изготовления такого устройства у нас в лаборатории составляют около 200 евро. Это сущие пустяки по сравнению со стоимостью операции по имплантации кардиостимулятора, которая она обходится в несколько тысяч евро".

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Ефим Шуман