Современные кардиостимуляторы способны годами следить за ритмом сердца и при необходимости поддерживать его электрическими импульсами. Однако они по-прежнему зависят от батареи, после ее разрядки пациенту приходится устанавливать новый прибор. Особенно сложно заменить безэлектродный кардиостимулятор, поскольку его закрепляют прямо внутри правого желудочка. Из-за этого отработавшую капсулу нередко отключают и оставляют в сердце, а рядом имплантируют следующую.
Безэлектродные кардиостимуляторы вошли в клиническую практику в середине 2010-х годов. Они избавляют пациента от подкожного кармана и проводов, с которыми связана значительная часть инфекций и механических поломок традиционных систем. Ученые ранее уже доказали, что частота серьезных осложнений и повторных вмешательств не превышала пяти процентов. Но батареи таких устройств рассчитаны примерно на 8-17 лет, после чего врачу все равно приходится решать проблему находящейся в сердце капсулы.
В связи с этим инженеры пытаются заставить кардиостимуляторы получать энергию неивазивно, чтобы продлить срок их службы. В качестве ее источников рассматривали тепло тела, кровоток, дыхание и движения сердца. Но такой генератор должен помещаться в крошечном корпусе, не мешать работе сердца и выдерживать миллионы повторяющихся сокращений.
Международный коллектив исследователей создал генератор, который помещается вместо батареи серийного безэлектродного кардиостимулятора, не увеличивая размеры всей капсулы. Обычно источник энергии существовал отдельно от полноценного имплантируемого устройства. Результаты исследования опубликовал журнал Science Advances.
Внутри корпуса разместили два миниатюрных колебательных элемента по сторонам от электронной части кардиостимулятора. Они состоят из пар тонких пластин. Одна сторона покрыта медью, другая — специальной полимерной пленкой. При сокращении сердца пластины сближаются, соприкасаются и снова расходятся. Возникающий при этом электрический заряд поступает к электронике или накапливается в небольшом конденсаторе.
Для эффективной работы исследователям пришлось подобрать толщину пластин и подложки, ширину проводников и жесткость всей конструкции. Слишком твердый генератор плохо реагировал бы на движения сердца, а слишком мягкий мог быстро потерять заданную форму. При этом механизм должен колебаться миллионы раз и продолжать вырабатывать электричество без износа.
Во время стендовых испытаний генератор достиг мощности 276,6 микроватта на кубический сантиметр. По оценке ученых, этого достаточно для работы кардиостимулятора. После прибор собрали и имплантировали в сердце свиньи и наблюдали за ним в течение месяца. Во время проверки генератор обеспечивал кардиостимулятор энергией, а электрические импульсы вызывали сокращения сердца. Исследование тканей не выявило реакций по сравнению с обычным внутрисердечным устройством.
Но пока эксперимент провели только на одной свинье и продолжали всего месяц. При этом в живом сердце генератор выдавал меньшую пиковую мощность, чем во время стендовых испытаний. Мягкие ткани гасят часть движения, а сердце не просто сжимается по прямой. При сокращении оно скручивается, тогда как созданный механизм лучше работает при ровном сближении и разделении пластин. Ученым еще предстоит преодолеть это затруднение.