Сердце как батарейка: новый генератор для кардиостимуляторов успешно испытали на свинье

Современные кардиостимуляторы стали надежными помощниками для людей с нарушениями сердечного ритма. Они годами следят за работой сердца и при необходимости корректируют его электрическими импульсами. Однако у них есть существенный недостаток: они зависят от батареи, которая со временем разряжается, и тогда требуется замена всего устройства.

Особенно сложно дело обстоит с безэлектродными моделями, которые появились в клинической практике в середине 2010-х годов. Они устанавливаются прямо в правый желудочек сердца, что избавляет пациентов от подкожного кармана и проводов, но при этом замена такой капсулы — серьезная операция. Часто отработавшую капсулу просто отключают и оставляют в сердце, а рядом имплантируют новую. Батареи таких устройств рассчитаны примерно на 8–17 лет, после чего врачи встают перед непростым выбором.

Чтобы решить эту проблему, инженеры ищут способы сделать кардиостимуляторы автономными, получая энергию от естественных процессов в организме. В качестве источников рассматривались тепло тела, кровоток, дыхание и даже движения самого сердца. Но создать генератор, который помещается в крошечном корпусе, не мешает работе органа и выдерживает миллионы сокращений, — непростая задача.

Как работает новый генератор

Международный коллектив исследователей разработал генератор, который встраивается в безэлектродный кардиостимулятор вместо батареи, не увеличивая размеры всей капсулы. Внутри корпуса по бокам от электронной части разместили два миниатюрных колебательных элемента. Они состоят из пар тонких пластин: одна сторона покрыта медью, другая — специальной полимерной пленкой. При сокращении сердца пластины сближаются, соприкасаются и снова расходятся, генерируя электрический заряд, который либо питает электронику, либо накапливается в небольшом конденсаторе.

Исследователям пришлось тщательно подбирать толщину пластин и подложки, ширину проводников и жесткость конструкции. Слишком твердый генератор плохо реагировал бы на движения сердца, а слишком мягкий мог быстро потерять форму. Механизм должен был колебаться миллионы раз без износа и продолжать вырабатывать электричество.

Во время стендовых испытаний генератор достиг мощности 276,6 микроватта на кубический сантиметр, чего, по оценке ученых, достаточно для питания кардиостимулятора.

Эксперимент на свинье и перспективы

После успешных лабораторных тестов прибор имплантировали в сердце свиньи и наблюдали за ним в течение месяца. За это время генератор стабильно обеспечивал кардиостимулятор энергией, а электрические импульсы вызывали сокращения сердца. Исследование тканей не выявило воспалительных реакций по сравнению с обычным внутрисердечным устройством.

Однако ученые отмечают, что в живом сердце генератор выдавал меньшую пиковую мощность, чем при стендовых испытаниях. Мягкие ткани гасят часть движения, а сердце не просто сжимается по прямой — оно скручивается, тогда как созданный механизм лучше работает при равномерном сближении и разделении пластин. Сейчас исследователи работают над преодолением этого ограничения.

Эксперимент пока проводился только на одной свинье и длился всего месяц, поэтому до внедрения в клиническую практику еще далеко. Тем не менее это важный шаг к созданию кардиостимуляторов, которые не требуют замены и могут работать всю жизнь пациента.