Китайские ученые разработали инновационный имплантат, который выполняет функцию беспроводного зарядного устройства. Основное предназначение оборудования заключается в поддержании бесперебойного функционирования имплантируемых медицинских устройств. Технология производства высокоемкостного биоразлагаемого зарядного устройства основана на использовании гибридных суперконденсаторов с ионами цинка, нанопластинами MoS2 (дисульфида молибдена) и альгинатным гелем.

Зарядное устройство продемонстрировало высокий потенциал при его использовании для контролируемого дозирования лекарств в ходе опытов на крысах, что предоставляет дополнительные преимущества при проведении терапии различных заболеваний. Новая разработка является важным этапом на пути к созданию стационарных перезаряжаемых медицинских имплантатов, однако исследования указывают на важность устранения уязвимости медицинского оборудования для электромагнитных помех.

Борьба с недостатками медицинских имплантируемых устройств

Со времен появления первых кардиологических стимуляторов произошел значительный прорыв в технологиях, используемых для создания имплантируемых медицинских устройств. Немаловажную роль в этом сыграла возможность реализовывать сложные функции на крошечных микрочипах. В частности, речь идет об имплантации RFID-меток (Radio Frequency Identification Tags) и налаживании беспроводного обмена данными. В сочетании с новыми способами введения медикаментов технология обеспечивает получение требуемой информации из организма без применения мини-камер и кабелей (например, при хирургических вмешательствах).

Несмотря на массу преимуществ электронных имплантатов, существует ряд проблемных вопросов, сдерживающих развитие отрасли. Одной из проблем является требование, согласно которому любое вживляемое оборудование должно обладать инертностью с биологической точки зрения. В противном случае могут возникнуть всевозможные осложнения из-за непредсказуемости иммунного ответа организма на инородное тело. Обязательной нормой, которую не всегда удается выполнить, является отсутствие токсических веществ в имплантатах, способных нанести ущерб здоровью. Соответственно, разработчики должны как можно более тщательно подбирать материалы и компоненты для производства имплантируемого оборудования, руководствуясь принципом безопасности.

Современные имплантаты обычно работают от не перезаряжаемых батарей. Если использовать аккумуляторы с электролитом, они могут нести угрозу для организма в случаях утечек. Также проблемным вопросом, который касается перезаряжаемых аккумуляторов, является необходимость хранить достаточный уровень заряда и обеспечивать простой механизм подзарядки.

При использовании биологически инертных компонентов для производства не перезаряжаемых батарей появляется возможность эксплуатировать устройства в течение нескольких лет без внешнего вмешательства. Однако по истечении этого периода потребуется неизбежная операция по замене аккумулятора, что несет высокие риски побочных эффектов. Из-за перечисленных факторов имплантируемая электроника должна иметь очень низкое энергопотребление, что в свою очередь ограничивает ее функциональность.

Имплантируемое устройство с беспроводной подзарядкой

Китайские исследователи провели анализ ключевых проблем, возникающих в сфере имплантированных медицинских устройств, и учли их при разработке первого в мире устройства-имплантата, поддерживающего зарядку в беспроводном режиме. По мнению ученых, безопасная подзарядка имплантированного оборудования представляет собой один из важнейших аспектов его эксплуатации. Несмотря на всестороннее изучение этой проблемы предприятиями, работающими в сфере медицинской промышленности, разработка технологии обеспечения питания в течение длительного периода времени без существенной потери мощности оказалась трудоемкой задачей.

Если рассматривать особенности разработки биоразлагаемых имплантируемых устройств, то основной целью является исключение необходимости проводить хирургические операции для их удаления. В то же время без внедрения безопасных биоразлагаемых источников энергии устройство становится малоэффективным, так как этот недостаток перечеркивает его потенциальные преимущества.

В процессе поиска универсальных биологически разлагаемых источников энергии исследователи создали гибридные супер конденсаторы с ионами цинка, нанопластинами MoS2 и альгинатным гелем. Как показали тесты, такой подход позволяет достичь сразу двух целей – обеспечить требуемые показатели емкости и полную биоразлагаемость устройств. Кроме этого, разработка соответствует тенденциям современной биоэлектроники, которая ориентирована на выпуск имплантируемых устройств, не требующих проведения хирургической операции по их удалению. Непрерывная оптимизация технологических решений привела к существенному прогрессу в этой отрасли. Создание полностью биоразлагаемого приемника позволило реализовать функцию беспроводной зарядки, при этом тканевая имплантация оборудования не оказывает отрицательного влияния на организм пациента.

Конструктивно устройство представляет собой катушку, поддерживающую связь с внешним электромагнитным полем, которая дополнена выпрямительным модулем, цинковым гибридным суперконденсатором и соединительными элементами. После вживления в ткань его можно задействовать как источник энергии для имплантатов, обладающий биоразлагаемостью, то есть безопасно растворяющийся внутри тела. Ключевым аспектом технологии является интеграция беспроводной зарядки с источником электрической энергии. Конструкция обладает достаточной гибкостью для совместимости с тканями тела, характеризуется низким риском воспалительных процессов и при этом обеспечивает стабильную выходную мощность и бесперебойный энергетический обмен.

Демонстрация возможностей разработанного решения для беспроводной зарядки

В ходе исследований устройства, имплантированные крысам, продемонстрировали работоспособность в течение десяти дней. По прошествии этого времени произошло естественное растворение имплантатов без побочных эффектов. Испытания позволили не просто проверить возможности беспроводной технологии на практике, но и реализовать алгоритм доставки медикаментов. Крысы подверглись воспалению, спровоцированному дрожжевой инфекцией. При наличии импланта, который обеспечил доставку противовоспалительных средств, наблюдалось существенное сокращение периода выздоровления по сравнению с состоянием крыс, которым не вживляли устройство.

Успешное тестирование оборудования на крысах дополняет теоретические доказательства целесообразности использования инновационной беспроводной системы и подтверждает ее потенциал в сфере контролируемого введения лекарств. Новые возможности, связанные с высокоточной дозировкой препаратов в соответствии с утвержденными схемами приема, могут изменить подход к лечению острых форм различных болезней.

Ценность разработки для имплантируемых технологий

Рассматривая результаты исследования, можно отметить, что оно впервые продемонстрировало возможность питать имплантируемые устройства через управляемое электроникой внешнее поле. Таким образом, основное внимание можно сосредоточить не только на принципах работы устройств, но и на совершенствовании их функциональности. В случае создания не биоразлагаемой версии системы появится возможность подзаряжать постоянно носимые имплантаты (например, кардиологические стимуляторы). Разработка позволит избежать хирургического вмешательства для замены разряженных аккумуляторов, поэтому ее можно будет расценивать как революционное решение в сфере применения постоянных медицинских имплантатов.

Эксплуатация перезаряжаемых устройств без периодических операций по замене аккумуляторов, вероятно, создаст прорыв в проектировании имплантируемого медицинского оборудования. Текущую стадию можно назвать начальным этапом разработки. Результаты проверки работы устройств на крысах являются многообещающими, и в перспективе можно рассчитывать на промышленный выпуск медицинских имплантатов, поддерживающих беспроводную подзарядку. В контексте эксплуатационной безопасности требуются исследования, направленные на усиление защиты устройств от воздействия электромагнитных помех (EMI).

Развитие технологий не останавливается ни на день, поэтому пользователи устройств беспроводной зарядки должны быть уверены в их неуязвимости для стороннего излучения. Недостаточная защищенность от электромагнитных полей может стать причиной снижения эффективности и безопасности использования даже самого современного оборудования, что является недопустимым, поэтому стоит ожидать новых исследований и совершенствования имплантируемых беспроводных зарядных устройств.

По материалам electropages.com