Ultrazvučni punjač baterija za pacemakere i defibrilatore implantirane u pacijenta

Implantati su profitabilna grana medicinske industrije: u SAD-u se na elektroimplantatima 'okrene' preko 10 milijardi dolara godišnje. No, što kada se istroši baterija ugrađena u tijelo pacijenta?

Igor Berecki četvrtak, 22. kolovoza 2019. u 06:00

Prva asocijacija na spomen medicinskih implantata su 'silikoni', kirurški estetski umeci za poprsja i stražnjice plastičnih ljepotica s duplerica i crvenih tepiha. No, u medicini se implantatom smatra svaki neživi materijal ugrađen u tijelo pacijenta, pa se u implantate ubraja znatno šira lepeza kirurški umetnutih dijelova i naprava koje poboljšavaju zdravlje i kvalitetu života osobe u koju su implantirane. Od titanskih umjetnih zglobova kuka i koljena, preko vaskularnih umetaka (stentova) i umjetnih srčanih zalistaka, umjetnih očnih leća, te metalnih pločica i vijaka za stabilizaciju slomljenih kostiju i kralježaka, pa sve do električnih generatora koji stabiliziraju ili pokreću rad srca: pacemakera i kardiovertera (defibrilatora) kirurški ugrađenih u tijelo pacijenta.

Ne mijenjaj bateriju, nego baci stari pejsmejker

Gore: pacemaker u ruci kardiokirurga prije ugradnje u prsište pacijenta s poremećajem srčanog ritma. Dolje: isti pacemaker vidljiv na rentgenskoj snimci nakon operativne implantacije u prsište, s elektrodama u desnoj pretklijetki i lijevoj klijetki
Gore: pacemaker u ruci kardiokirurga prije ugradnje u prsište pacijenta s poremećajem srčanog ritma. Dolje: isti pacemaker vidljiv na rentgenskoj snimci nakon operativne implantacije u prsište, s elektrodama u desnoj pretklijetki i lijevoj klijetki

Kardiokirurzi u SAD-u godišnje ugrade preko 130.000 implantabilnih kardioverterskih defibrilatora, električnih napravica po dimenzijama ne većih žetona za poker, opremljenih tako da registriraju zastoj srčanih otkucaja i u slučaju potrebe za defibrilacijom 'ispucavaju' ciljani električni impuls izravno u pacijentovo srce kako bi se ponovo pokrenulo i stabiliziralo svoju funkciju cirkulacijske pumpe.

Slična napravica je i pacemaker, implantirani neveliki aparatić snage tek stotinjak mikrovata, kakvih se u SAD-u ugradi u skoro 250.000 pacijenata godišnje, a koji kod pacijenata oboljelih od poremećaja srčanog ritma poput preciznog metronoma šalje pravilne mikroelektrične impulse u srčani mišić, neprekidno održavajući stabilan srčani ritam od 1 do 2 otkucaja u sekundi.

Iako su kardioverteri i pacemakeri spasili mnoge živote, njihova ugradnja i održavanje njihove funkcionalnosti nisu bez određenog stupnja rizika i komplikacija. Zbog utroška električne energije potrebne za generiranje impulsa, baterije u njima se s vremenom  ispražnjavaju, te ih je u periodičnim intervalima potrebno zamijeniti. Kako? Pa, ustvari nikako: ne mijenjaju se baterije nego cijeli implantat. Operativnim zahvatom ga se izvadi i implantira se novi, što predstavlja dodatni rizik od boli, infekcije, odbacivanja implantata, te krvarenja, modrica i oteklina na mjestu ugradnje, tim više ako pacijent inače uzima antikoagulacijske lijekove.

Kad vam se diže kosa na glavi...

Potaknuti tehnološkim rješenjima iz svijeta mobilne telefonije gdje je bežično punjenje mobitelske baterije omogućeno prislanjanjem telefona uz punjač, korejansko-američki znanstveni tim je dizajnirao prototip implantabilnog elektro-kardiološkog uređaja koji umjesto standardne baterije u sebi ima mikro-generator koji stvara električne impulse pomoću stimulacije ultrazvukom. Prototip je uspješno testiran na životinjskom tkivu, a znanstvenici su rezultate prikazali u časopisu Science u članku objavljenom ovoga tjedna.

Popis tvari i materijala koji trenjem generiraju triboelektrični naboj, poredanih od najpozitivnijeg do najnegativnijeg - tzv. 'triboelektrični niz'
Popis tvari i materijala koji trenjem generiraju triboelektrični naboj, poredanih od najpozitivnijeg do najnegativnijeg - tzv. 'triboelektrični niz'

Ovaj mikrogenerator producira energiju pomoću triboelektričnog efekta, međusobnim trljanjem dvaju materijala koji imaju različite triboelektrične karakteristike. S obzirom da neki materijali pri trljanju stvaraju manje ili više izražen pozitivan, a neki negativan naboj (vidi tablicu), njihovo uzajamno trenje čak i pri vrlo malenim pomacima mjerenim u nanojedinicama stvara električne naboje suprotnih vrijednosti. Kada se potom materijali odmaknu jedan od drugoga, stvara se razlika potencijala - odnosno električni napon. Ako su polovi vodičem spojeni u strujni krug, stvara se protok elektrona od negativnog prema pozitivno nabijenom polu - i eto struje!

Zvuči komplicirano? Uopće nije. Ako vam se iz opisa učinilo da se triboelektričnim trenjem stvara statički elektricitet, potpuno ste u pravu: to i jeste osnova cijele priče. Zato možete jednostavno izraditi sami svoj TEG (triboelektrični generator): počešljajte opranu i dobro osušenu kosu plastičnim (još bolje - bakelitnim) češljem. Ili uzmite napuhani dječji balon (materijal 1) i protrljajte ga uz majicu od sintetike (materijal 2), pa ga potom odmaknite od majice. Pucketanje koje pritom možete čuti i mikro-munje koje u tamnijoj prostoriji možete vidjeti rezultat su naboja i protoka elektrona stvorenog trljno-strujnim (triboelektričnim) efektom. (Opaska: ovom prilikom javno patentiram svoj izraz "trljno-strujni" kao novohrvatsko-laszlobulcsuovski prijevod tuđice "triboelektrični")

Visokofrekventno trljanje

Energija koju je ovako moguće generirati nije zanemariva: TEG od fleksibilnih polimera daje izlazni napon do 3,3 V pri gustoći snage od 10 mW/cm3. TEG-ovi mogu generirati energiju iz bilo kojeg kinetičkog izvora: rotirajućih kotača na vozilima i aparatima, okeanskih valova, mehaničkih vibracija… Samo je pitanje elektroinžinjerskog rješenja dizajna elektroda i načina njihovog uzajamnog trljanja, odmicanja i „ubiranja“ stvorenog napona.

Kardioverterski defibrilator, električna napravica za oživljavanje 'zamrlog' srca koja se - kao i pacemaker - ugrađuje kardiokirurškom operativnom implantacijom u prsište pacijenta
Kardioverterski defibrilator, električna napravica za oživljavanje 'zamrlog' srca koja se - kao i pacemaker - ugrađuje kardiokirurškom operativnom implantacijom u prsište pacijenta

Navedeni korejsko-američki tim je stvorio mikrogenerator dizajniran od dvaju plosnatih materijala s velikim uzajamnim triboelektričnim potencijalom, a njihovo međusobno trenje su osmislili na prilično ingeniozan način: materijale su 'trljali' na daljinu, izlaganjem ultrazvučim valovima. Nakon izlaganja ultrazvučnom signalu materijali se razmaknu i time se generira mala količina električne energije koju se 'zarobi' i postupak se ponavlja dok se ne napuni interna baterija generatora.

U ljudima i općenito u biološkim materijalima ultrazvučni valovi ne uzrokuju tribo-efekt jer sva živa tkiva imaju slične tribo-potencijale, pa stoga nema razlike potencijala ni generiranja napona. Čak i u umjetnim, tribo-osjetljivim materijalima izlaganje ultrazvuku uzrokuje vrlo malene pomake (nanokinetičke pomake), no trik je u brzini trljanja: ultrazvuk ima frekvenciju preko 20.000 Hz. A kada nešto trljate dvadeset tisuća puta u sekundi, tada faktor trenja postaje itekako relevantna varijabla.

Ubuduće - punjenje bez oštrih rezova

Za testiranje 'uživo', generator su na različitim dubinama implantirali u svinjsko tkivo, a zatim je kroz kožu emitiran ultrazvuk koji je u generatoru triboelektričkim trenjem stvarao struju. Mjerenja su pokazala da je generator implantiran pod kožu na dubini od pet milimetara proizvodio struju od 150 mikroampera (µA) napona 2.4 V, a na dubini od jednog centimetra generator je uspio razviti 98 µA i 1.9 V, što je sasvim blizu zadovoljavajućeg raspona snage kakvu koriste suvremeni implantabilni pacemakeri (kako rekosmo, par stotina mikrovata)

Istraživači u zaključku svoje prezentacije zaključuju da će, uspiju li u nastavku istraživanja usavršiti postojeći dizajn tako da je ultrazvučno-triboelektičkim generatorom moguće pouzdano daljinski napuniti baterije pacemakera i implantiranih defibrilatora, pacijenti biti pošteđeni rizika infekcije, krvarenja i boli uzrokovanih kirurškim periodičkim zamjenama elektroimplantata koji im održavaju srce 'u pogonu'.

 

 

Igor „Doc“ Berecki je pedijatar je na Odjelu intenzivnog liječenja djece Klinike za pedijatriju KBC Osijek. Od posla se opušta antistresnim aktivnostima: od pisanja svojevremeno popularnih tekstova i ilustracija u tiskanom izdanju časopisa BUG, crtkanja grafika i dizajna, zbrinjavanja pasa i mačaka, te fejsbučkog blogiranja o craft-pivima, životnim neistinama i medicinskim trivijama, sve do pasioniranog kuhanja posve probavljivih jela i sviranja slabo probavljivog bluesa.