Инженеры и медики всего мира продолжают активно работать над решением проблемы электропитания кардиостимуляторов, нейростимуляторов и прочих имплантируемых электронных устройств. Сегодня подавляющее большинство таких устройств работают от встроенной в них батарейки, которая рано или поздно нуждается в замене, а это означает, что каждому пациенту-носителю электронного имплантата приходится время от времени, но никак не реже чем раз в семь-восемь лет, снова ложиться на операцию.

Плутоний, глюкоза, перепад температур... Что дальше?

Операция же чревата осложнениями. Так, примерно у каждого сотого пациента возникает инфекция, говорит Бьёрн Петерс (Björn Peters), старший врач Немецкого кардиоцентра в Берлине: "В таком случае приходится, как правило, извлекать из тела больного не только сам кардиостимулятор, но и все вживленные кабели, а это отнюдь не просто, особенно если пациент носит имплантат уже относительно давно".

За последние полвека было предпринято немало попыток решить проблему энергообеспечения кардиостимуляторов. В 70-х годах прошлого века начали было имплантировать радиоизотопные источники энергии, рассчитанные на десятки лет работы. Хотя некоторые такие плутониевые элементы питания успешно функционируют до сих пор, эта технология не прижилась. Также не смогли пока пробиться на рынок ни миниатюрный топливный элемент, использующий химическую энергию глюкозы в крови пациента, ни прототип устройства, работающего от перепада температур.

Недавно мы рассказывали о том, что группа американских специалистов в области медицинской техники из штата Аризона предложила вместо батарейки встраивать в такие имплантаты аккумулятор, а его подзарядку осуществлять экстракорпорально с помощью ультразвука, используя пьезоэлектрический эффект.

Гибкий пьезокристалл на тонкой пленке

Теперь исследователи из университета штата Иллинойс в Эрбана-Шампейн выдвинули альтернативную идею, реализация которой базируется на том же самом пьезоэлектрическом эффекте. Руководитель проекта, профессор материаловедения Джон Роджерс (John Rogers), поясняет: "Мы хотим использовать механическую энергию постоянного движения внутренних органов пациента - легких, диафрагмы или самого сердца".

В качестве пьезоэлектриков широкое применение находят кристаллический кварц, а также поляризованные керамики - то есть материалы очень твердые и хрупкие. Непосредственно в кардиостимулятор такой пьезоэлемент можно интегрировать, но как его вживить в сердце или легкое?

Профессор Роджерс не без гордости говорит: "Нам удалось получить пьезоэлемент в виде тончайшего слоя материала, снятого с обычной массивной керамической заготовки, и затем перенести его, не повредив и не деформировав, на гибкую пленку. Это было очень непросто".

Практическая осуществимость идеи уже доказана

Помимо пьезоэлемента, в эту гибкую пленку из биосовместимого пластика интегрированы также миниатюрный выпрямитель и столь же миниатюрный аккумулятор.

Гибкость - важнейшее свойство пленки, поскольку она должна непосредственно прилегать к сердцу, а это орган, как известно, чрезвычайно чувствительный, говорит ученый: "В нормальных условиях сердце бьется равномерно, но сильное внешнее давление может вызвать аритмию. Но ведь кардиостимулятор должен аритмию как раз подавлять".

Чтобы испытать свой необычный энергопреобразователь в экспериментах на животных, профессор Роджерс отправил его кардиохирургам соседнего штата. Те закрепили устройство несколькими стежками на легких, диафрагме и сердце подопытных коров, свиней и овец. Испытания еще далеки от завершения, но о двух результатах можно говорить уже сегодня. Во-первых, опыты подтвердили, что гибкая пленка не нарушает работу органа, к которому она пришита. А во-вторых, оказалось, что количество вырабатываемой электроэнергии зависит от месторасположения и ориентации устройства на сердце. "Мы получили энергию в количестве, измеряемом микроваттами, - говорит исследователь. - Конечно, это немного, но для современных высокоэффективных кардиостимуляторов с низким энергопотреблением вполне достаточно".

Периодическая замена батарейки имеет и плюсы

Таким образом, то, что сама по себе идея - использовать энергию сердца для питания кардиостимулятора - может быть реализована на практике, сомнений уже не вызывает. Однако теперь предстоит выяснить, способно ли созданное профессором Роджерсом устройство обеспечивать энергоснабжение имплантата на протяжении многих лет.

Соответствующие долговременные эксперименты на животных должны начаться в ближайшем будущем. Берлинский кардиолог Бьёрн Петерс тоже с нетерпением ждет их результатов, но напоминает, что операции по замене батарейки имеют для пациентов не только минусы, но и плюсы, поскольку при этом им заодно имплантируют и новейшие кардиостимуляторы последнего поколения: "Раньше кардиостимуляторы были просто водителями сердечного ритма, а сегодня это программируемые микрокомпьютеры с множеством функций. Но если пациентам начнут имплантировать аппараты, вообще не нуждающиеся в замене элемента питания, то весь дальнейший технологический прогресс их, конечно, уже не коснется".