電池を交換する必要がない心臓ペースメーカーが実現する可能性があり、これは自らの心拍から電力を生成できる装置のおかげです。ウィスコンシン大学マディソン校の研究者たちは、既存のワイヤレス心臓ペースメーカーに組み込むことができるほど小型のナノ発電機を開発しました。これにより、単一のインプラントが患者に生涯使用を提供する可能性があります。このプロジェクトは、ポスドク研究員の陳鵬飛が主導し、指導教授は王旭東です。チームが設計した装置は、現在市場で最も広く使用されているワイヤレス心臓ペースメーカーであるメドトロニックのMicraに適合します。
電池問題の解決 ワイヤレス心臓ペースメーカーは心臓に直接植え込まれ、従来の胸部埋め込み型モデルに比べて、より迅速な回復と少ない合併症を提供します。しかし、その電池は装置の体積と重量の半分以上を占め、7年から10年しか使用できず、交換が必要です。心臓内部から消耗した電池を取り出すことは非常に困難であるため、医師は通常、期限切れのペースメーカーを体内に残し、その隣に新しいペースメーカーを植え込みます。これは、何度も交換手術が必要な若い患者にとって特に問題となります。
ナノ発電機が心臓ペースメーカーに持続的な電力を提供
チタン合金の外殻内で、チームは専用の摩擦電振動子を開発しました。これらの振動子はペースメーカーの電子部品パッケージの上下に取り付けられ、チタン合金の外殻内部に配置されます。各振動子の電極板の一方は銅で覆われ、もう一方はフッ素化ポリマー膜で覆われています。心臓が拍動すると、この動きが振動子を圧縮し、反対の電荷を持つ板が互いに近づきます。分離過程で微小な動きが電荷を生成し、これらの電荷はペースメーカーに直接電力を供給するか、小型のボード上のコンデンサーに蓄えられます。陳鵬飛は、バランスの安定性と柔軟性を確保するためには多くの試行錯誤が必要であり、振動子は数百万回の繰り返し圧縮に耐えながら、正確な機械的挙動を維持する必要があると述べています。
チームは各ワイヤの配置や各電極板の厚さを細かく調整しました。
心臓内でのテスト 実験室でのテストでは、出力電力は立方センチメートルあたり276.6マイクロワットであり、この数値は従来のナノ発電機設計よりも1桁高く、完全に独立してペースメーカーに電力を供給するのに十分です。王旭東は、このようなサイズ制限のあるデバイスにとっては、原始的なエネルギー出力よりも電力密度が最も重要であると述べています。研究者たちはプロトタイプを豚の心臓に植え込み、その性能と生体適合性を1ヶ月間監視しました。ナノ発電機はテスト全体を通じて心臓刺激に電力を供給し、従来のバッテリー駆動のペースメーカー以外の合併症は引き起こしませんでした。
豚の心臓内では、この装置の出力は実験室テストで測定されたピークには達しませんでした。柔らかい心臓組織は振動子の機械的運動に対するダンピング効果が硬いテスト台よりも強く、心臓のねじれ運動は振動子が必要とする上下の圧縮運動とは異なるため、最大出力を生成することができませんでした。王旭東と陳鵬飛は、心臓の自然な不規則な動きをより安定した機械エネルギーに変換するために設計を改良しています。
ウィスコンシン大学病院の心臓電気生理学者ダニエル・モダフ博士は、単一のインプラントが患者に生涯使用を提供できることを期待しています。この装置はウィスコンシン校友研究基金に登録されており、臨床試験にはまだ数年かかる必要があります。関連研究は『サイエンス・アドバンシズ』誌に初めて発表されました。
項目 規格 出力電力 276.6 マイクロワット