Электрод с пьезоэлектриком запитал кардиостимулятор от сокращений сердечной мышцы

Американские инженеры разработали пьезоэлекрический генератор, способный превращать сокращения сердечной мышцы в электричество, передаваемое расположенному рядом электрокардиостимулятору, при этом пьезолектрик крепится не на саму сердечную мышцу, а на электрод кардиостимулятора. Разработчики считают, что в перспективе такое устройство позволит создать полностью автономный электрокардиостимулятор, не требующий замены аккумулятора. Статья с описанием разработки опубликована в журнале Advanced Materials Technologies.

Электрокардиостимулятор представляет собой устройство, создающее электрические импульсы, заставляющие сердечную мышцу сокращаться и тем самым поддерживающие нормальный режим работы сердца. Обычно электрокардиостимуляторы имплантируются на постоянной основе и работают непрерывно. Главный недостаток такой схемы — необходимость замены аккумулятора каждые 5-10 лет, причем для этого приходится проводить серьезное хирургическое вмешательство. Инженеры уже достаточно давно работают над альтернативными схемами питания имплантируемых электрокардиостимуляторов, в том числе существуют разработки, позволяющие преобразовывать сокращения сердца в электричество или получать энергию из внешнего источника беспроводным способом.

Джон Чжан (John Zhang) и его коллеги из Дартмутского колледжа и Техасского университета в Сан-Антонио разработали новый способ добычи энергии для электрокардиостимулятора, не возлагающий дополнительную нагрузку на сердце. Представленные ранее аналогичные разработки предполагали, что для выработки энергии полоску пьезоэлектрика необходимо закрепить на сердце. В новой работе инженеры решили установить ее на электрод электрокардиостимулятора, что решает сразу две проблемы: пьезоэлектрик не мешает работе сердца, а вырабатываемую энергию можно передавать через тот же электрод.

Для этого они создали гибкую полоску, в основе которой лежит пьезоэлектрический материал на основе поливинилиденфторида и трифторэтилена. Он располагается в центре конструкции и представлен в виде пористого и сплошного слоев. Над этими слоями располагаются золотые электроды, на один из которых нанесен слой полиимида. Для того, чтобы пленка эффективно преобразовывала механическую энергию сокращения сердечной мышцы в электрическую, ее необходимо обернуть вокруг электрода электрокардиостимулятора таким образом, чтобы с двух сторон от него располагались два свободных конца полоски. Кроме того, ее необходимо поместить в мягкую трубку, позволяющую сжимать ее вместе с полоской, но в то же время препятствующую прямому контакту тканей с материалом.

Авторы провели испытания разработки на аппарате, который колеблется с заданной частотой и имитирует работу миокарда. Эксперименты показали, что при частоте колебаний в один герц полоска способна вырабатывать ток с напряжением до 0,5 вольта и силой тока до 43 наноамперов. Кроме того, инженеры показали, что эти характеристики можно улучшить, закрепив груз на концах полоски. К примеру, при грузе массой 31,6 миллиграмма мощность выработки повышается в 1,82 раза.

У пьезоэлектрических генераторов есть альтернатива в виде трибоэлектрических генераторов, привлекающих все большее внимание ученых. В прошлом году китайские исследователи создали трибоэлектрический генератор на основе мятой золотой фольги, имеющий большую мощность. К примеру, прототип площадью 1,5 квадратных сантиметра смог запитать одновременно 48 светодиодов.

Григорий Копиев