Вчені винайшли ультратонкий малоінвазивний кардіостимулятор, керований світлом

Іноді наше тіло потребує підживлення. Мільйони американців покладаються на кардіостимулятори — невеликі пристрої, які регулюють електричні імпульси серця, щоб підтримувати його плавне биття. Але щоб зменшити ускладнення, дослідники хотіли б зробити ці пристрої ще меншими та менш нав’язливими.

Команда дослідників з Чиказького університету розробила бездротовий пристрій, що працює від світла, який можна імплантувати для регулювання серцево-судинної або нервової діяльності в організмі. Легкі мембрани, тонші за людську волосину , можна вставити за допомогою мінімально інвазивної хірургії та не містять рухомих частин.

Долучайтесь до вебінару «Проблемність ведення пацієнтів з ІХС та фібриляцією передсердь»  від провідного фахівця Іванова Валерія Павловича 

Результати, опубліковані 21 лютого в журналі Nature, можуть допомогти зменшити ускладнення під час операції на серці та відкрити нові горизонти для майбутніх пристроїв.

«Перші експерименти були дуже успішними, і ми дуже сподіваємося на майбутнє цієї трансляційної технології», — сказав Пенджу Лі, аспірант Чиказького університету та перший автор статті.

«Новий кордон»

Лабораторія професора Божі Тяня роками розробляла пристрої, які можуть використовувати технологію, подібну до сонячних батарей, для стимулювання організму. Фотоелектричні пристрої привабливі для цієї мети, оскільки вони не мають рухомих частин або дротів, які можуть зламатися або стати втручаючими, особливо корисними для делікатних тканин, таких як серце. А замість батареї дослідники просто імплантують поруч крихітне оптичне волокно, щоб забезпечити живлення.

Але для отримання найкращих результатів вченим довелося налаштувати систему, щоб вона працювала в біологічних цілях, а не в тому, як зазвичай розроблені сонячні елементи.

«У сонячному елементі потрібно зібрати якомога більше сонячного світла та перемістити цю енергію вздовж елемента незалежно від того, в яку частину панелі вдаряється», — пояснив Лі. «Але для цієї програми ви хочете мати можливість висвітлити дуже локалізовану область і активувати лише цю одну область».

Наприклад, звичайна терапія серця відома як ресинхронізаційна терапія серця, коли різні частини серця повертаються в синхронізацію за допомогою точно визначених зарядів. У сучасних методах лікування це досягається за допомогою дротів, які можуть мати свої ускладнення.

Лі та команда вирішили створити фотоелектричний матеріал, який би активувався лише там, де потрапляло світло.

Остаточний дизайн, на якому вони зупинилися, має два шари кремнієвого матеріалу, відомого як P-тип, який реагує на світло, створюючи електричний заряд. Верхній шар має багато крихітних отворів — стан, відомий як нанопористість, — який підвищує електричні характеристики та концентрує електроенергію, не дозволяючи їй поширюватися.

Результатом є мініатюрна гнучка мембрана, яку можна вставити в тіло через крихітну трубку разом з оптичним волокном — мінімально інвазивна хірургія. Оптичне волокно світиться за чіткою схемою, яку мембрана вловлює та перетворює на електричні імпульси.

Мембрана має товщину всього один мікрометр — приблизно в 100 разів менша за найтоншу людську волосину — і розміром кілька квадратних сантиметрів. Він важить менше однієї п'ятдесятої грама; значно менше, ніж нинішні найсучасніші кардіостимулятори, які важать щонайменше п’ять грамів. «Чим легший пристрій, тим зручнішим він зазвичай є для пацієнтів», — сказав Лі.

Ця конкретна версія пристрою призначена для тимчасового використання. Замість чергової інвазивної операції з видалення кардіостимулятора він просто розчиняється з часом у нетоксичну сполуку, відому як кремнієва кислота. Однак дослідники сказали, що пристрої можна сконструювати так, щоб вони прослужили різний бажаний термін служби, залежно від того, як довго стимуляція серця потрібна.

«Це досягнення кардинально змінило правила серцевої ресинхронізаційної терапії», — сказав Нарутоші Хібіно, професор хірургії Чиказького університету медицини та співавтор дослідження. «Ми стоїмо на порозі нового рубежу, де біоелектроніка може бездоганно інтегруватися з природними функціями організму».

Легке використання

Хоча перші випробування проводилися з серцевою тканиною, команда сказала, що цей підхід також можна використовувати для нейромодуляції — стимулювання нервів при рухових розладах, наприклад, при хворобі Паркінсона, або для лікування хронічного болю чи інших розладів. Лі ввів термін «фотоелектропрепарати» для цієї галузі.

Тіан сказав, що день, коли вони вперше випробували кардіостимулятор у випробуваннях зі свинячими серцями, які дуже схожі на людські, залишився в його пам’яті. «Я пам’ятаю той день, тому що він спрацював у першому ж процесі», — сказав він. «Це одночасно дивовижне досягнення та нагорода за наші великі зусилля».

Метод скринінгу, розроблений Лі для картографування фотоелектрохімічного виходу різних матеріалів на основі кремнію, також може знайти застосування в інших сферах, як зазначив Тіан, наприклад, у таких сферах, як нові технології акумуляторів, каталізатори або фотоелектричні елементи.

ДЖЕРЕЛО: https://medicalxpress.com/