Yhdysvaltalaisen Wisconsinin yliopiston ryhmä on esitellyt paristottoman sydämentahdistimen prototyypin, joka saa virtansa potilaan omista sydämenlyönneistä. Julkaistu Science Advances -lehdessä tutkimus kuvaa tribosähköiseen nanogeneraattoriin perustuvaa ratkaisua, jonka kehittäjät arvioivat tuottaneen laboratoriomittauksissa ja sikakokeessa riittävästi tehoa tahdistimen toimintaan.

Hanke pyrkii ratkaisemaan yhden nykyisten sydämensisäisten tahdistimien pitkäkestoisista ongelmista: akku muodostaa huomattavan osan laitteen koosta ja kestää tyypillisesti vain seitsemästä kymmeneen vuotta. Pariston vaihto vaatii leikkausoperaation, ja useamman vaihdon jälkeen sydämeen jää usein istutettuja laitteita. Paristoton tahdistin voisi vähentää toistuvia toimenpiteitä ja niihin liittyviä riskejä.

Miten laite toimii ja mitä kokeissa havaittiin

Tutkijat suunnittelivat pienikokoisen tribosähköisen värähtelijän, joka mahtuu Micra-kokoisen tahdistimen paristotilaan. Värähtelijä koostuu pareittain kytketyistä elektrodilevyistä; toisella puolella on kuparipinnoite ja toisella fluorattu eteenipropeenikalvopinta. Sydämen mekaaninen liike puristaa ja irrottaa levyt, mikä synnyttää sähkövarausta, joka joko syöttää virtaa tai varastoituu kondensaattoriin.

Laboratoriotesteissä nanogeneraattori saavutti tehotiheyden 276,6 mikrowattia kuutiosenttimetriä kohden, eli selvästi paremman suorituskyvyn kuin aiemmin raportoidut pietsosähköisiin ja tribosähköisiin ratkaisuihin perustuvat pienikokoiset generaattorit. Prototyyppi asennettiin myös sian sydämeen kuukauden ajaksi, jolloin laite tuotti sähköä ja mahdollisti sydämen sähköisen stimuloinnin ilman havaittavia lisähaittoja tavanomaisiin paristokäyttöisiin sydämensisäisiin tahdistimiin verrattuna.

Projektin johtaneet tutkijat, muun muassa materiaalitieteilijä professori Xudong Wang, elektrofysiologi apulaisprofessori Daniel Modaff ja kehitystyötä johtanut tohtori Pengfei Chen, korostavat, että saavutetun tehotiheyden taso on lupaava ja että värähtelijän valmistuskustannukset voisivat pysyä maltillisina.

Tekniset haasteet ja seuraavat askeleet

Vaikka tulokset ovat kannustavia, tutkijat nostavat esiin useita kehityskohteita ennen laajempia ihmiskokeita. Laboratoriomittaukset antavat voimakkaampia huippuarvoja kuin eläinkokeet, koska sydänkudos on pehmeä ja vaimentaa värähtelijän liikettä. Lisäksi sydämen luonnollinen liike on enemmän kiertävää kuin suoraan puristavaa, mikä rajoittaa värähtelijän maksimiliikettä suunnitellulla rakenteella.

Insinöörit tekevät iteratiivista työtä stabiliteetin ja joustavuuden tasapainottamiseksi, optimoiden johtimien sijoittelua, elektrodilevyjen paksuutta ja muita mekaanisia ominaisuuksia niin, että laite kestäisi miljoonien rytmien rasituksen ilman suorituskyvyn heikkenemistä. Kliiniseen käyttöön johtava tie edellyttää myös pitkäaikaisturvallisuus- ja biokompatibiliteettitestejä sekä viranomaishyväksyntää, joten kaupallistaminen ja laaja potilaskäyttö ovat useiden vuosien päässä.

Mahdollinen etu potilaille on selkeä: yksittäinen implantoitu laite, joka ei vaadi pariston vaihtoa, vähentäisi uusintaleikkauksia etenkin nuorilla potilailla, joilla implantteja kertyy elinaikana useampia. Tämä voi puolestaan alentaa sekä lääketieteellistä riskiä että hoidon kokonaiskustannuksia pitkällä aikavälillä.

Wisconsinin ryhmän työ edustaa bioelektroniikan ja energia-keruun yhdistämistä kliiniseen kardiologiaan. Jos tekniset ongelmat ratkaistaan, konseptilla on potentiaalia muuttaa sitä, miten implantoitavat laitteet suunnitellaan—siirtyen kohti pitkäikäisempiä, vähemmän huoltoa vaativia ratkaisuja, jotka sopeutuvat kehon omaan liikkeeseen ja energiavirtoihin.