Цивилизация
Заставить человеческий организм вырабатывать ток — не проблема. Так считает профессор материаловедения Джон Роджерс из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне (США). Роджерс и его коллеги представили публике устройства, которые в будущем позволят отказаться от химических элементов питания для различных электрических имплантатов, например электрокардиостимуляторов. Их изобретение представляет собой гибкий механизм,
который превращает энергию сокращающихся органов, например сердца, легких или диафрагмы, в электрическую энергию.
Устройство, описанное в журнале PNAS, выполнено на основе тонкой пленки цирконат-титаната свинца (PZT), покрытого биосовместимым пластиком.
Цирконат-титанат свинца — давно известный в технике сегнетоэлектрик, популярный благодаря своим пьезоэлектрическим свойствам, то есть способности индуцировать электрический заряд при механической деформации.
«Сердце — отличная штука для совершения механической работы, потому что оно находится в постоянном движении. Главная проблема с сердцем в том, что любое ограничение, которое вы накладываете на его естественное движение, приклеивая на его поверхность прибор, может отрицательно сказаться на его биении», — объяснил Роджерс. «Это требует создания прибора не просто гибкого, а супергибкого, чтобы его размещение не мешало движению сердца», — добавил инженер.
Чтобы на основе пьезоэффекта сделать не просто генератор, а полноценный источник питания, в его конструкцию поместили выпрямитель тока и аккумулятор. Кроме того, чтобы проверить безопасность пластика для живых тканей, на его поверхности были выращены клетки гладких мышц крыс. После этого механическим способом была проверена гибкость устройства:
пластик отлично выдержал 20 млн циклов сжатия-расширения.
Эксперименты показали, что при циклическом изгибе энергии, вырабатываемой устройством, вполне хватает для заряда аккумулятора напряжением 3,8 В.
Ученые уже испытали прибор, прикрепляя его к живым сердцам, диафрагмам и легких коров, овец и свиней путем наложения шва, и убедились, что он не ограничивает сокращение этих органов и дает необходимое напряжение. Эксперименты in vivo показали, что устройства вырабатывают достаточно энергии, чтобы заряжать электрокардиостимулятор.
«Инновация этой работы в том, что успех, достигнутый на малом масштабе, был использован в большом масштабе», — считает Майкл МакАльпин, профессор Принстонского университета, не участвовавший в исследовании. Он отметил, что важным достижением является размещение в миниатюрном приборе батареи и доказательство того, что ток можно получать из разных органов.
«У кардиостимулятора садится батарейка, а он находится внутри вашего тела. Каждый раз, когда садится батарея, приходится вскрывать грудную клетку, чтобы заменить кардиостимулятор. Если бы существовал способ получать энергию от движения органа… возможно, мы могли бы продлить жизнь батареи», — считает ученый.
Авторы изобретения даже рассчитали КПД подобных «электростанций» внутри человеческого тела, он составляет всего 2% — такова эффективность работы сегнетоэлектрика.
Это означает, что на каждые 50 Ватт, затраченных сердцем на изгиб прибора, лишь 1 Ватт приходится на зарядку батареи.
Несмотря на то, что эксперименты на крупных животных оказались успешны, до клинических испытаний на людях пройдут еще годы. Ученые опасаются, что, несмотря на надежную защитную оболочку цирконат-титаната свинца, попадание вещества в организм может представлять опасность. «Сейчас на подходе появление пьезоэлектриков нового поколения, близких по эффективности к PZT, но не содержащих никакого свинца», — считает Амин Карами, профессор аэронавтики, комментируя открытие инженеров.
Как бы то ни было, использовать подобные системы в будущем можно не только для питания электрокардиостимуляторов, но и для многих типов вживляемых устройств: датчиков биения сердца, кардиовертеров-дефибрилляторов и нейростимуляторов.