Пациент, дышите! В США разработали устройство для глубокой стимуляции мозга, заряжающееся при сокращениях грудной клетки

Что произошло

Ученые придумали, как избежать регулярных операций для замены батареек при использовании глубокой стимуляции мозга.

• Новое устройство, разработанное исследователями из Калифорнийского университета в Коннектикуте, заряжается в процессе дыхания. При вдохе и выдохе грудная клетка давит на маленький и тонкий электрический генератор, который преобразует движение в статическое электричество.
• Изобретение может облегчить жизнь пациентам с болезнью Паркинсона и другими неврологическими и психическими заболеваниями.

Как это работает

Технология, использованная учеными, основана на трибоэлектрическом эффекте, когда определенные материалы получают электрический заряд в процессе трения. Например, это происходит, если потереть воздушный шар о волосы.

• Имплантат состоит из слоев трибоэлектрических материалов, которые генерируют электричество за счет трения, возникающего при дыхании. Затем ток из наногенератора заряжает суперконденсатор, который накапливает электричество для питания медицинского аппарата, используемого для стимуляции мозга.

• Устройство уже протестировали на модели свиньи с живым легким, подключенным к насосу. Испытания показали, что собранного таким образом электричества достаточно для создания 60 импульсов в секунду, как в устройствах со сменной батарейкой, применяющихся в настоящее время.

Почему это важно

Болезнь Паркинсона — тяжелое дегенеративное заболевание головного мозга, сопровождающееся симптомами нарушения двигательной функции, в том числе сильным тремором и болезненными непроизвольными сокращениями мышц. Кроме того, оно приводит к другим осложнениям, в частности к снижению когнитивных функций, психическим расстройствам, нарушению сна.

• По данным ВОЗ, в 2019 году число пациентов, страдающих болезнью Паркинсона, превышало 8,5 млн человек. При этом специалисты организации отмечают рост смертности от этого заболевания: в 2019-м от него умерли 329 тыс. человек, что на 100% больше по сравнению с 2000 годом.
• До сих пор ученые не смогли найти способ лечения болезни Паркинсона, однако существует ряд препаратов, способных снять симптомы. В частности, используются лекарства на основе леводопы и карбидопы. Также для улучшения функциональных возможностей пациентов используются определенные виды физической реабилитации, в том числе силовые упражнения и упражнения на равновесие, а также водолечение.
• Если другие методы не помогают, применяется глубокая стимуляция мозга: в целевые области мозга имплантируют крошечные проводки для подачи слабых электрических импульсов, корректирующих аномальную электрическую активность в органе. Раз в 2–3 года пациентам с имплантатами приходится проводить операции для замены батареек в устройстве.

Тенденция

Необходимость замены элементов питания остается проблемой для всех имплантируемых и носимых медицинских устройств, включая кардиостимуляторы. Чтобы сделать аппараты полностью автономными, исследователи изучают различные способы выработки электричества человеческим телом.

• Один из возможных способов получения электричества — преобразование энергии естественных движений внутренних органов. Ученые из Массачусетского технологического института разработали плоское устройство, которое можно прикреплять к органам и мышцам, таким как сердце, легкие и диафрагма. Оно вырабатывает электричество, когда сгибается и разгибается. Получаемой энергии достаточно для питания кардиостимулятора.
• Еще один вариант — использование термоэлектрических материалов для преобразования тепла человеческого тела в электричество. Ученые из США и Китая разработали миниатюрный термоэлектрический генератор, использующий человеческое тело в качестве биологического аккумулятора. Его можно носить как кольцо или браслет, а мощности хватает для питания электронных часов или фитнес-трекера. Потенциально за счет тепла человеческого тела устройство может генерировать достаточно электроэнергии для питания беспроводных мониторов здоровья, кохлеарных имплантатов и стимуляторов мозга.
• Получить электроэнергию можно также из сахара в крови человека. Ученые из MIT создали топливный элемент, который состоит из анода, электролита и катода. Анод вступает в реакцию с глюкозой, производя глюконовую кислоту, в результате чего высвобождаются два протона и два электрона. Электролит уносит протоны, они смешиваются с воздухом и превращаются в безвредные молекулы воды. А поток электронов создает электрический ток, который используется для питания имплантированного устройства.