Сам себе аккумулятор

Современный кардиостимулятор надо подзаряжать каждые 8–9 лет.
Фото PhotoXPress.ru

С появлением кардиостимуляторов жизнь людей, страдающих аритмией сердца, волшебным образом изменилась. Они перестали быть инвалидами и получили возможность вести нормальный образ жизни, заниматься спортом. После вживления в грудь этого электронного устройства человек может выдержать любую физическую нагрузку.

За полвека существования кардиостимуляторов они, как и сама их имплантация, кардинально усовершенствовались. Когда-то операция занимала несколько часов, теперь – 20 минут. 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.

В современных приборах установлены батареи, средний срок службы которых составляет 8,5 года. Исследователи из разных стран давно работают над созданием таких источников питания для имплантируемых устройств, которые позволили бы обойтись без повторных операций.

Как сообщает Deutsche Welle, в Германии группа специалистов Института микросистемной техники при Фрайбургском университете под руководством Свена Керценмахера 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».

В 70-е годы были даже созданы первые прототипы источников питания на основе глюкозы. Однако затем программу исследований в этом направлении свернули, поскольку был достигнут значительный прогресс в технологии производства традиционных батарей.

Но 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 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.

Ключевыми компонентами создаваемого фрайбургскими учеными автономного источника питания являются электроды, на которых, собственно, и происходит та химическая реакция, что призвана обеспечить имплантат электроэнергией. Один электрод топливного элемента представляет собой тонкую пленку, нанесенную на керамическую пластину. Электрод изготовлен из платины. Он кажется совершенно гладким, даже блестит, почти как зеркало, но на самом деле имеет чрезвычайно развитую пористую структуру: суммарная площадь внутренней поверхности пор в 3 тыс. раз превышает номинальную площадь, занимаемую платиновой пленкой на пластине.

А пластина, в свою очередь, встроена в полимерную рамку. 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 проходят через устройство-потребитель, в данном случае через кардиостимулятор, и попадают на второй электрод топливного элемента – катод. Это тоже платиновая пленка, только менее пористая. И там кислород восстанавливается до воды».

Площадь электродов опытного образца топливного элемента составляет около 1 кв. сантиметра, при этом его мощность достигает 5 микроватт – это лишь вдвое меньше, чем необходимо для питания кардиостимулятора. «Если сделать топливный элемент немного больше, то вырабатываемой им энергии окажется вполне достаточно, – поясняет 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.

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. Это вовсе не та реальная биологическая жидкость, с которой придется иметь дело источнику питания в живом человеческом организме. В биологических жидкостях присутствуют еще и белки, и аминокислоты. И уже установлено, что у аминокислот есть неприятное свойство оседать на платиновых электродах. А это, естественно, снижает производительность всего устройства. Поэтому сегодня главная задача исследователей – найти решение этой проблемы.

Помимо удобства для пациентов такое устройство дает еще и существенную экономическую выгоду. Расходы на его изготовление в лаборатории Свена Керценмахера составляют около 200 евро, тогда как стоимость операции по имплантации кардиостимулятора обходится в несколько тысяч евро. При этом в одной только Германии ежегодно имплантируют более 70 тыс. кардиостимуляторов.