Імплантат для мозкової стимуляції зарядився від рухів дихання

Американські науковці розробили прототип мозкового імплантату для глибокої стимуляції, що не потребує зовнішнього джерела живлення. Енергію для його роботи пропонують отримувати від рухів грудної клітки при диханні, у чому допоможе трибоелектричний генератор. Випробування технології успішно провели з використанням свинячих легень та мишачого мозку.

Яка потреба у цьому винаході?

Імплантати для глибокої стимуляції мозку вже зараз використовуються у клінічній практиці при лікуванні різних неврологічний та психічних розладів, наприклад хвороби Паркінсона та важкої депресії, які не піддаються стандартним методам контролю. Таке лікування зазвичай дуже тривале або навіть постійне, а тому імплантатам потрібне джерело живлення. Здебільшого ним є імплантована під шкіру батарея із зарядом, достатнім для 3-5 років роботи, після чого її треба замінити. Це незручно, оскільки супроводжується повторними ризиками, що властиві хірургічному втручанню, наприклад, інфікування, рубцювання або виникнення болю. Тож вчені з Університету Коннектикуту очолили дослідження, у якому шукали спосіб обійтися без батарей для мозкових імплантатів.

Чим завершилися пошуки вчених?

Науковці запропонували живити імплантати від рухів грудної клітки при диханні. Ідея використовує можливості трибоелектричного ефекту — електризації тіл при їхньому терті одне об одне. Вони створили прототип мозкового імплантату, живлення якого забезпечується зв'язаним із ним трибоелектричним генератором, в основі якого два шари полімерного матеріалу, накладених одне на одне. Він призначений для імплантації на грудну стінку і таким чином при природних рухах дихання трибоелектричні шари полімеру зміщуватимуться один відносно іншого й генеруватимуть електричний струм. Сам електричний струм при цьому накопичуватиметься у суперконденсаторах, що передаватимуть енергію генератора електричних імпульсів для мозкової стимуляції.

Як це працює у реальності?

Поки що прототип випробували в лабораторних умовах, включно з моделлю свині, якою симулювали дихання живої людини, та мозком миші, який стимулювали. Модель свині являла собою свинячі легені у штучній грудній клітці людини, з'єднані з повітряною помпою, яка прокачувала через них повітря, імітуючи вдих і видих.

Система успішно спрацювала у перших випробуваннях. Щоб зарядити п'ять послідовно з'єднаних суперконденсаторів до 4 вольт, знадобилося 117 хвилин імітованого дихання. Після цього електрична стимуляція мишачого мозку вмикалася і могла безперервно відбуватися з імпульсами 1,8 вольта з частотою 100 герців (комерційні імплантати використовують 60-135 герц і 1-4 вольти) протягом 34 секунд. Після цього напруга падала до 3,5 вольт, і стимуляція припинялася на 16 хвилин, під час яких пристрій поновлював заряд від енергії дихання до 4 вольт і знову починав стимуляцію.

Хоча зазвичай сучасні імплантати здійснюють постійну стимуляцію мозку, схоже чергування стимуляції та періоду спокою має потенціал. Та автори зазначають, що режим роботи системи можна змінити, включно з тривалістю стимуляції та інтервалами між нею, щоб підлаштувати під потреби окремого пацієнта.

ДЖЕРЕЛО