Un pacemaker inovator fără baterie care generează energie din fiecare bătaie a inimii
O echipă de cercetători de la Universitatea Wisconsin–Madison a dezvoltat un pacemaker implantabil, fără baterie, care se încarcă cu ajutorul bătăilor inimii pacientului.
Aceast dispozitiv are potențialul de a dura întreaga viață a pacientului, reducând riscurile și costurile asociate cu înlocuirea dispozitivelor atunci când bateriile lor se epuizează.
Coordonatorul cercetării, Pengfei Chen, cercetător postdoctoral în știința materialelor și inginerie, a anunțat că rezultatele cercetării vor apărea în numărul din 19 august 2026 al revistei Science Advances.
„Pentru un astfel de dispozitiv, nu este vorba doar despre generarea de energie. Densitatea de putere este cea mai importantă. Trebuie să obții suficientă putere într-un volum suficient de mic”, afirmă Xudong Wang, profesor de știința materialelor și inginerie care supraveghează cercetarea lui Chen. „Cu tehnologia noastră, am realizat o densitate de putere de ieșire cu un ordin de magnitudine mai mare decât soluțiile anterioare de nanogeneratoare.”
Proiectul nu este doar un exercițiu teoretic. Dispozitivele alimentate de aceste nanogeneratoare ar putea avea un impact semnificativ asupra bunăstării pacienților. „Această tehnologie prezintă o promisiune incredibilă. O provocare clinică în gestionarea pacienților cu pacemaker este necesitatea procedurilor de înlocuire a generatorului atunci când bateria se epuizează, ceea ce implică o reoperare pentru a-l schimba”, spune Dr. Daniel Modaff. „Aștept cu nerăbdare o lume în care putem implanta un singur dispozitiv care va dura toată viața pacientului, iar acest lucru este un pas important către realizarea acestui vis.”
În ultimii 70 de ani, pacemaker-ele – dispozitive electrice care stimulează inima pentru a corecta bătăile neregulate – au evoluat de la dispozitive simple și voluminoase care trebuiau înlocuite la fiecare câțiva ani, la dispozitive microelectronică mici și sofisticate care pot detecta ritmurile inimii și se pot adapta pe parcurs. De-a lungul decadelor, pacemaker-ul transvenos, un dispozitiv mic alimentat cu baterie implantat în piept, conectat la inimă prin fire introduse prin vene, a fost standardul de îngrijire.
În 2016, pacemaker-ul MicraTM fără fir a intrat pe piață. Acest dispozitiv mic, conținut într-o capsulă de titan de dimensiunea unei pastile mari de vitamine, este ghidat prin cateter prin vena femurală către inimă, unde este implantat în ventriculul drept. Acest dispozitiv avansat permite un timp de recuperare mai rapid, rezultând în mai puține complicații și nu necesită un implant în pieptul pacientului.
Pacemaker-ul intracardiac are un dezavantaj major. Bateria sa constituie mai mult de jumătate din dimensiunea și greutatea sa, dar durează doar între șapte și zece ani. Odată ce bateria se epuizează, îndepărtarea implantului din interiorul inimii pacientului este dificilă, astfel că pacemaker-ul uzat este adesea lăsat în loc atunci când este inserat unul nou. Aceasta reprezintă o problemă pentru pacienții tineri care pot avea nevoie de mai multe înlocuiri ale pacemaker-ului pe parcursul vieții lor.
De aceea, cercetătorii caută metode alternative de alimentare a acestor dispozitive pe termen lung. Ei explorează totul, de la baterii cu tritiu la nanogeneratoare piezoelectrice (care generează electricitate atunci când sunt comprimate sau întinse) la nanogeneratoare triboelectrice (care produc energie atunci când două materiale cu sarcini opuse intră în contact și apoi se separă). Până acum, însă, niciunul dintre aceste dispozitive nu a reușit să producă suficientă energie pentru a alimenta pacemaker-ul intracardiac.
Bazându-se pe ani de experiență în producerea de dispozitive bioelectronice inovatoare, Wang și Chen au decis să verifice dacă tehnicile lor ar putea avansa tehnologia pacemaker-elor. Pentru a începe, au restrâns dimensiunea dispozitivului astfel încât să poată fi introdus în compartimentul pentru baterii al pacemaker-ului Medtronic MicraTM, păstrând în același timp dimensiunea generală a dispozitivului.
Pentru a realiza acest lucru, au proiectat structuri triboelectrice oscilante specializate care ar putea fi montate deasupra și dedesubtul pachetului electronic situat în mijlocul carcasei de titan a Micra. Oscilatoarele sunt formate din perechi de plăci de electrozi legate între ele, cu un strat de cupru pozitiv pe o parte și un strat de film de etilenă propilenă fluorurată negativ pe cealaltă. Când inima pacientului bate, mișcarea determină comprimarea oscilatoarelor, aducând plăcile cu sarcini opuse împreună. Când acestea se separă, mișcările mici generează o sarcină electrică care alimentează pacemaker-ul sau este stocată într-un condensator onboard mic.
Proiectarea acestui gadget mic a necesitat multă încercare și eroare. „A trebuit să ne gândim la modul de a echilibra stabilitatea și flexibilitatea astfel încât să poată oscila de milioane de ori, dar să mențină comportamentul mecanic dorit”, spune Chen. „A trebuit să optimizăm plasarea și lățimea fiecărui fir, precum și grosimea fiecărei plăci de electrod și a substratului.”
Pe parcurs, inginerii au colaborat strâns cu o echipă interdisciplinară pentru a aborda specificațiile tehnice și medicale și a avansa tehnologia către traducerea clinică. Această echipă a inclus pe profesorul Bo Liu, biolog cardiovascular, Dr. Eric Schmuck, expert în cardiologie la Centrul pentru Cercetări și Inovație în Swine Biomedical de la UW–Madison, și Dr. Daniel Modaff.
Atenția lor la detalii a dat roade. Testele de laborator arată că nanogeneratorul este capabil să producă 276,6 microwatti pe centimetru cub. Aceasta nu doar că este suficientă pentru a opera pacemaker-ul, ci reprezintă și o putere de ieșire semnificativ mai mare decât soluțiile piezoelectrice și triboelectrice miniaturizate anterioare.
Pentru a testa dispozitivul, echipa a implantat un prototip într-un porc, observându-i performanța și biocompatibilitatea timp de o lună. Nanogeneratorul a alimentat cu succes stimularea cardiacă în timpul testării funcționale, fără reacții adverse, dincolo de cele ale pacemaker-elor intracardiace alimentate de baterii convenționale.
Wang afirmă că oscilatorul este relativ ieftin de produs și este suficient de robust din punct de vedere mecanic pentru a rezista potențial întreaga viață a pacemaker-ului. Echipa a înregistrat dispozitivul la Wisconsin Alumni Research Foundation, dar comercializarea și implementarea clinică vor dura probabil câțiva ani.
Există câteva provocări tehnice de depășit înainte ca pacemaker-ul alimentat de oscilator să fie pregătit pentru încercări clinice la oameni. În interiorul inimii porcului, nanogeneratorul nu a atins același vârf de putere ca în laborator. Aceasta se datorează faptului că țesutul cardiac este un substrat moale, care amortizează mișcarea mecanică a oscilatorului. O altă problemă este adaptarea la mișcarea naturală a inimii, care este mai mult o mișcare de răsucire decât mișcarea directă verticală care permite oscilatorului să genereze mișcare maximă.
