Новое исследование беспроводных перезаряжаемых батарей направлено на снижение хирургических рисков

3D-рендеринг мужчины с кардиостимулятором. Кредит: Adobe Stock. Все права защищены.

5 июня 2023 г.

Дженнифер Мэтьюз

УНИВЕРСИТИ-ПАРК, Пенсильвания – Исследователи из штата Пенсильвания разрабатывают новую беспроводную перезаряжаемую батарею для биомедицинской электроники, такой как кардиостимуляторы, которая позволит заряжать их и управлять ими без необходимости инвазивной хирургии.

«Мы хотим оптимизировать батарею и конструкцию материалов, а также объединить их с беспроводной зарядкой», — сказал Фейфей Ши, доцент кафедры энергетики на факультете энергетики и минерального машиностроения семьи Джона и Уилли Леоне в Пенсильванском университете. «В настоящее время мы ограничиваемся зарядкой по кабелю, а за беспроводной зарядкой определенно будущее».

Биомедицинские устройства воссоздают физиологические функции человеческого тела, которые облегчают хроническую боль и значительно улучшают качество жизни. За последние несколько десятилетий наблюдался огромный рост электроники и беспроводных технологий, которые поддерживают эту задачу. Однако остающейся проблемой для медицинских устройств является источник питания. Большая часть большинства имплантируемых электронных устройств питается от первичных батарей, срок службы которых ограничен, и их необходимо заряжать с помощью кабелей. Поскольку продолжительность жизни человека находится на рекордно высоком уровне, ученым нужна более долговечная и надежная альтернатива используемым в настоящее время литий-йодным батареям.

«Десять лет назад это не было проблемой», — сказал Ши. «Но в настоящее время замена батарей происходит гораздо чаще, потому что люди живут дольше».

Первый имплантированный кардиостимулятор использовал никель-кадмиевую аккумуляторную батарею. Затем были разработаны цинк-ртутные батареи, которых хватило более чем на два года. Но ничто не работает так хорошо, как литий-йодная батарея, изобретенная в 1972 году. Эти батареи служат до 10 лет и являются золотым стандартом для многих производителей кардиостимуляторов. Однако проблемы возникают, когда люди переживают срок службы батарей кардиостимулятора, иногда на десятилетия. Операции по замене батареи, хотя и относительно безопасны, не лишены рисков, особенно в пожилом возрасте. Эти риски включают инфекцию, образование тромбов, повреждение кровеносных сосудов или нервов, коллапс легких и перфорацию сердца.

Чтобы помочь решить эту проблему, Ши получил грант в размере 150 000 долларов от компании Johnson & Johnson на трехлетний проект по разработке перезаряжаемой батареи с возможностью беспроводной зарядки. Результатом станет первая в своем роде батарея высокой емкости с возможностью дистанционной зарядки внутри человеческого тела. Эта новая система перезаряжаемых батарей потенциально может устранить риск заражения и других осложнений, связанных с хирургическими операциями, а также обеспечить более стабильный и надежный источник питания, что позволит интегрировать больше датчиков диагностики здоровья во внедренные медицинские устройства. По ее словам, в случае успеха этот проект спасет жизни, сведет к минимуму страдания, снизит затраты и спровоцирует следующую революцию в области реализуемых медицинских устройств.

Первым шагом будет внедрение существующего некоммерческого метода беспроводной зарядки, который является биологически безопасным и может проникать в мышечную ткань, делая возможной зарядку внутри тела. Для этого они проведут небольшие испытания на некоторых прототипах, чтобы найти оптимальный химический состав для этого типа батарей.

«Предыдущие исследования обычно демонстрировали беспроводную зарядку от лампочки или конденсатора, но никогда не доказывали, что они могут заряжать аккумулятор», — сказал Ши. «Есть разница между зажиганием лампочки и реальным испытанием на использование и старение».

Второй задачей станет структурная оптимизация. Устройство должно быть крошечным, а рецептор должен быть интегрирован, что является новой концепцией, объяснил Ши.

«Я хочу думать об аккумуляторе в целом и думать о каждом его компоненте, речь идет не только о производительности аккумулятора», — сказал Ши. «Мы начинаем с нуля, ничего подобного не существует, поэтому у нас много свободы. Это хорошо, потому что, если бы мы работали над существующей технологией, у нас не было бы слишком много места для игры. Это дает нам больше возможности изобрести что-то новое, что-то более полезное для общества».