Електрод з п'єзоелектриком живив кардіостимулятор від скорочень серцевого м'яза

Американські інженери розробили п'єзоелекричний генератор, здатний перетворювати скорочення серцевого м'яза на електрику, що передається розташованому поруч електрокардіостимулятору, при цьому п'єзолектрик кріпиться не на сам серцевий м'яз, а на електрод кардіостимулятора. Розробники вважають, що в перспективі такий пристрій дозволить створити повністю автономний електрокардіостимулятор, який не вимагає заміни акумулятора. Стаття з описом розробки опублікована в журналі.

Електрокардіостимулятор - це пристрій, що створює електричні імпульси, що змушують серцевий м'яз скорочуватися і тим самим підтримують нормальний режим роботи серця. Зазвичай електрокардіостимулятори імплантуються на постійній основі і працюють безперервно. Головний недолік такої схеми - необхідність заміни акумулятора кожні 5-10 років, причому для цього доводиться проводити серйозне хірургічне втручання. Інженери вже досить давно працюють над альтернативними схемами живлення імплантованих електрокардіостимуляторів, у тому числі існують розробки, що дозволяють перетворювати скорочення серця в електрику або отримувати енергію із зовнішнього джерела бездротовим способом.

Джон Чжан (John Zhang) і його колеги з Дартмутського коледжу і Техаського університету в Сан-Антоніо розробили новий спосіб видобутку енергії для електрокардіостимулятора, що не покладає додаткове навантаження на серце. Представлені раніше аналогічні розробки припускали, що для вироблення енергії смужку п'єзоелектрика необхідно закріпити на серці. У новій роботі інженери вирішили встановити її на електрод електрокардіостимулятора, що вирішує відразу дві проблеми: п'єзоелектрик не заважає роботі серця, а вироблювану енергію можна передавати через той же електрод.

Для цього вони створили гнучку смужку, в основі якої лежить п'єзоелектричний матеріал на основі полівініденфториду і трифторетилену. Він розташовується в центрі конструкції і представлений у вигляді пористого і суцільного шарів. Над цими шарами розташовуються золоті електроди, на один з яких нанесено шар полііміду. Для того, щоб плівка ефективно перетворювала механічну енергію скорочення серцевого м'яза в електричну, її необхідно обернути навколо електрода електрокардіостимулятора таким чином, щоб з двох сторін від нього розташовувалися два вільних кінця смужки. Крім того, її необхідно помістити в м'яку трубку, що дозволяє стискати її разом зі смужкою, але в той же час перешкоджає прямому контакту тканин з матеріалом.

Автори провели випробування розробки на апараті, який коливається із заданою частотою та імітує роботу міокарда. Експерименти показали, що при частоті коливань в один герц смужка здатна виробляти струм з напругою до 0,5 вольта і силою струму до 43 наноамперів. Крім того, інженери показали, що ці характеристики можна поліпшити, закріпивши вантаж на кінцях смужки. Наприклад, при вантажі масою 31,6 міліграма потужність вироблення підвищується в 1,82 рази.

У п'єзоелектричних генераторів є альтернатива у вигляді трибоелектричних генераторів, що привертають все більшу увагу вчених. Торік китайські дослідники створили трибоелектричний генератор на основі м'ятої золотої фольги, що має велику потужність. Наприклад, прототип площею 1,5 квадратних сантиметра зміг живити одночасно 48 світлодіодів.