Сердцебиение однажды может помочь привести в действие что-то помимо сердца. Кардиостимулятор — это устройство, которое помогает регулировать аномальную частоту сердечных сокращений с помощью электрических импульсов. Все более популярными становятся безвыводные кардиостимуляторы, которые размещаются в сердце и не имеют проводов, как обычные трансвенозные кардиостимуляторы. Однако срок службы их батарей составляет всего 5–12 лет, и восстановить устройство, когда батарея разряжена, сложно.
Исследователи создали «рукав», который надевается на кардиостимулятор и сделан из гибких пьезоэлектрических материалов , которые собирают колебательное сердечно-сосудистое давление внутри сердца для частичной подзарядки безвыводного кардиостимулятора. Соруководителем проекта является Мохаммад Малакути, доцент кафедры машиностроения Вашингтонского университета. Ранние эксперименты показали, что устройство может обеспечить около 10% мощности, необходимой для кардиостимуляции.
В то время как междисциплинарная группа из МЭ, биоинженерии и Медицинской школы Университета Вашингтона продолжает свою работу, Малакути рассказывает, как было создано устройство и его потенциал для увеличения срока службы батареи безвыводных кардиостимуляторов. Работа также была опубликована в журнале Circulation .
Расскажите нам о проекте и первых результатах.
Устройство предназначено для установки безпроводного кардиостимулятора, такого как Medtronic Micra, который располагается в правом желудочке сердца. Проблема с безвыводным кардиостимулятором заключается в том, что у него разряжается батарея, и его трудно восстановить. Второе устройство часто имплантируют без удаления первого.
Наша инновация предполагает использование сбора энергии для продления срока службы батареи безвыводного кардиостимулятора. Мы делаем это, создавая рукав для кардиостимулятора с использованием пьезоэлектрических материалов, которые генерируют электричество при приложении механического давления. Способ, которым мы внедряем пьезоэлектрические материалы в сердце, является новым.
Ранее исследователи поместили гибкие пьезоэлектрические пленки на внешнюю поверхность сердца, чтобы собрать механическую энергию сердцебиения для трансвенозного кардиостимулятора. Это непрактично и может вызвать осложнения, поскольку требует дополнительной операции на открытом сердце, которой кардиологи и пациенты хотят избежать.
В наших экспериментах мы поместили кардиостимулятор с гильзой внутрь аппарата, имитирующего артериальное давление в правом желудочке. Сжимающая сила от моделируемого артериального давления вызывает механические деформации внешнего слоя рукава, который вырабатывает электрическое напряжение для каждого цикла сердцебиения — достаточно, чтобы увеличить срок службы батареи на 10%. Нам еще предстоит поработать над увеличением срока службы батареи более чем на 10% и дальнейшей проверкой наших выводов, но потенциал действительно очень интересен.
Как ваша команда подошла к выбору материалов и первоначальному дизайну устройства?
Устройство очень маленькое, примерно треть батарейки ААА. Задача состоит в том, чтобы сохранить его размер и форму, чтобы обеспечить ту же процедуру имплантации, и в то же время убедиться, что он может генерировать достаточно энергии. Наша команда решила использовать пьезоэлектрические полимеры из-за их стабильности, биосовместимости и механической гибкости. Обычная пьезокерамика, такая как цирконат-титанат свинца, была исключена из рассмотрения из-за ее токсичности, хрупкости, которая могла привести к разрушению, и сложности трехмерного изготовления.
Мы специально выбрали полимер под названием поливинилиденфторид (ПВДФ) из-за его большого пьезоэлектрического отклика, а также его биосовместимости. Материал сворачивается в цилиндрическую форму, соответствующую безвыводному кардиостимулятору, образуя гибкий пьезоэлектрический корпус. Прототип, созданный студентами BioE, включает в себя алюминиевый стержень вместо настоящего кардиостимулятора, изоляционные пленки и эпоксидную смолу для его герметизации.
Мы выбрали конструкцию в форме гантели, поскольку не хотим закреплять пленку ПВДФ непосредственно на кардиостимуляторе. Эта инновационная конструкция допускает большую деформацию под приложенным давлением, что приводит к более эффективному сбору энергии.
Почему это исследование важно для вас?
Это относится к реальной проблеме, сложной, но очень интересной. Цель состоит в том, чтобы продлить срок службы батареи, уменьшить количество повторных имплантаций и увеличить количество кандидатов на использование безвыводных кардиостимуляторов. Если потребуется меньше замен батарей, безвыводные кардиостимуляторы могут стать более доступными для молодых пациентов.
Я также могу вернуться к некоторым из моих предыдущих исследований. Моя докторская степень. сосредоточился на многофункциональных композитах со встроенными пьезоэлектрическими материалами. Это включало синтез пьезоэлектрических наноматериалов и полимеров, изготовление композитов, теоретическое и численное моделирование и электромеханические характеристики.
Что будет дальше с этим проектом?
В прошлом году мы работали с талантливой группой студентов-биоинженеров по программе магистра прикладной биоинженерии. Я очень рад стать со-наставником новой группы студентов и продолжить сотрудничество с доктором Бабаком Назером, доцентом медицины Медицинской школы Университета Вашингтона и директором лаборатории трансляционной электрофизиологии.
Мы проводим более фундаментальные исследования, такие как мультифизическое моделирование гибких пьезоэлектрических структур, чтобы повысить эффективность сбора энергии. Мы протестируем наши разработки на новых прототипах и будем использовать различные материалы, чтобы сделать устройство более чувствительным и реагировать на колебания артериального давления.
Затем доктор Назер из UW Medicine проведет проверку in vivo, чтобы подтвердить безопасность и эффективность. Это приведет к новым открытиям в области имплантируемых пьезоэлектрических устройств сбора энергии, и мы надеемся создать устройство, которое частично будет питать безвыводный кардиостимулятор .
