Китайские ученые создали пьезоэлектрический генератор для питания электрокардиостимулятора от сокращений сердечной мышцы. Разработчики успешно подтвердили работоспособность устройства на свинье, которой был имплантирован пьезоэлектрический генератор, подключенный к кардиостимулятору с извлеченным аккумулятором.

Статья с описанием разработки и экспериментов опубликована в ACS Nano.

Электрокардиостимулятор представляет собой устройство, поддерживающее определенный режим работы сердца благодаря созданию электрических импульсов, заставляющих сердечную мышцу сокращаться. Такие устройства имплантируют в грудную полость и снабжают их аккумулятором, способным поддерживать работу кардиостимулятора на протяжении нескольких лет. После выработки аккумулятора пациентам приходится снова проходить через операцию, во время которой производится замена аккумулятора или самого кардиостимулятора.

Поскольку сокращения сердечной мышцы можно рассматривать как источник энергии, инженеры давно работают над созданием электрокардиостимуляторов, способных обходиться без аккумулятора. К примеру, для этого уже использовали пьезоэлектрические генераторы и внешний источник питания. Однако пока такие разработки не проходили полноценных испытаний на животных, во время которых кардиостимулятор получал питание от такого генератора.

Группа ученых под руководством Хао Чжана (Hao Zhang) из Второго военно-медицинского университета Китая впервые провела испытания, во время которых имплантированный пьезоэлектрический генератор запитал электрокардиостимулятор внутри живого организма. Генератор имеет размер около трех сантиметров и в профиль напоминает сильно сжатую цифру 8. Поскольку каркас генератора состоит из упругого полиэтилентерефталата, такая форма позволяет генератору сжиматься и возвращать свою форму после этого. С обеих сторон каркаса генератора закреплены композитные пьезоэлектрические полоски из двух соединений на основе свинца. Эти полоски окружены пленками хрома и золота, выступающими в качестве электродов. Принцип работы генератора основан на том, что при деформации пьезоэлектрический слой вырабатывает электричество, причем это происходит и во время сжатия и во время возвращения исходной формы.

Схема строения генератора / Ning Li et al. / ACS Nano, 2019

После создания прототипов авторы исследовали их свойства сначала в лабораторных условиях (in vitro), а затем и внутри животного (in vivo). Для лабораторных испытаний инженеры создали упрощенную модель, имитирующую периодические сжатия сердечной мышцы. Она состоит из небольшой емкости с водой, на дне которой закреплен генератор. На него периодически давит поршень со сжимающимся полимерным наконечником, имитирующим ткань на внешней поверхности сердца. С помощью такой модели авторы протестировали общую работоспособность конструкции генератора, а также выяснили, что при подключении двух пьезоэлектрических слоев по параллельной схеме мощность возрастает в более чем два раза по сравнению с последовательным подключением и составляет 33 микроватта.

Схема лабораторных испытаний генератора / Ning Li et al. / ACS Nano, 2019

Главная часть работы — испытания in vivo, проведенные на Йоркширской свинье. Ученые закрепили на сердце свиньи генератор, подключили его к выпрямителю тока, который в свою очередь был подключен к электрокардиостимулятору с извлеченным аккумулятором. Во время работы электрокардиостимулятор был настроен на 80 сокращений в минуту и сумел поддерживать аналогичную частоту сокращения сердечной мышцы, хотя без его применения частота пульса свиньи составляла 60–70 сокращений в минуту. Кроме того, вывод об успешной работе кардиостимулятора авторы работы сделали, проанализировав параметры комплекса QRS (типичные «зубцы», наблюдаемые на электрокардиограмме во время каждого цикла сердечных сокращений).

Снимок имплантированного генератора, подключенного к электрокардиостимулятору, а также электрокардиограмма, полученная во время тестов / Ning Li et al. / ACS Nano, 2019

Недавно американские инженеры разработали и испытали другую конструкцию пьезоэлектрического генератора для питания электрокардиостимуляторов. Они предложили закреплять генератор не на сердце, а на электроде, отходящем от кардиостимулятора. По мнению исследователей, это снизит нагрузку на сердце по сравнению со схемой, использованной группой Чжана и другими учеными.