Ученые создали ультратонкие беспроводные кардиостимуляторы, которые работают от света
Используя свет, исследователи разработали беспроводной ультратонкий кардиостимулятор, который работает как солнечная панель. Такая конструкция не только устраняет необходимость в батарейках, но и сводит к минимуму нарушения естественной функции сердца, повторяя его контуры. Это исследование предлагает новый подход к методам лечения, требующим электрической стимуляции, таким как кардиостимуляция.
Кардиостимуляторы — это медицинские устройства, имплантируемые в организм для регулирования сердечного ритма. Они состоят из электронных схем с батарейками и проводами, прикрепленными к сердечной мышце для ее стимуляции.
Однако электроды могут выйти из строя и повредить ткани. Местоположение электродов невозможно изменить после их имплантации, что ограничивает доступ к различным областям сердца. Поскольку в кардиостимуляторах используются жесткие металлические электроды, они также могут повредить ткани при перезапуске сердца после операции или при регулировании аритмии.
Команда исследователей представила беспроводной и более гибкий кардиостимулятор, который мог бы точно стимулировать несколько областей сердца. Поэтому мы разработали устройство, которое преобразует свет в биоэлектричество или электрические сигналы, генерируемые сердечными клетками.
Такой кардиостимулятор тоньше человеческого волоса и изготовлен из оптического волокна и кремниевой мембраны, на разработку которых исследователи лаборатории Тиана и коллеги из Школы молекулярной инженерии Прицкерского университета Чикаго, потратили годы.
Как и солнечные батареи, этот кардиостимулятор питается от света. В отличие от обычных солнечных батарей, которые обычно предназначены для сбора как можно большего количества энергии, исследователи настроили устройство так, чтобы оно генерировало электричество только в тех точках, куда падает свет, чтобы оно могло точно регулировать сердцебиение.
Этого получилось добиться, используя слой очень маленьких пор, которые могут улавливать свет и электрический ток. Стимулируются только те сердечные мышцы, которые попадают в поры, активированные светом. Поскольку устройство очень маленькое и легкое, его можно имплантировать, не вскрывая грудную клетку.
Его уже удалось успешно имплантировать в сердца грызунов и взрослой свиньи, регулируя ритмы различных сердечных мышц. Поскольку сердца свиней анатомически похожи на человеческие сердца, это достижение показывает потенциал устройства для людей.
Болезни сердца являются основной причиной смертности во всем мире. Ежегодно более 2 млн человек переносят операции на открытом сердце для лечения сердечных проблем, в том числе для имплантации устройств, регулирующих сердечный ритм и предотвращающих сердечные приступы.
Новое сверхлегкое устройство мягко прилегает к поверхности сердца, обеспечивая менее инвазивную стимуляцию, улучшенную ритмику и синхронизацию сокращений. Чтобы уменьшить послеоперационную травму и время восстановления, устройство можно имплантировать минимально инвазивным методом.
В настоящее время такую технологию лучше всего использовать в первую очередь при неотложных сердечных заболеваниях, включая перезапуск сердца после операции, сердечный приступ и дефибрилляцию желудочков. Еще продолжают изучать его долгосрочное воздействие и долговечность в организме человека.
Внутренняя среда тела богата жидкостями, которые нарушаются постоянными механическими движениями сердца. Со временем это потенциально может поставить под угрозу функциональность устройства. Кроме того, исследователи не до конца понимают, как организм реагирует на длительное воздействие медицинских устройств. Образование рубцовой ткани вокруг устройства после имплантации может снизить его чувствительность.
Хотя в результате поломки данного устройства образуется нетоксичное вещество (кремниевая кислота), которое организм может безопасно усвоить, оценка того, как организм реагирует на длительную имплантацию, важна для обеспечения безопасности и эффективности.
Чтобы добиться долгосрочной имплантации и адаптировать устройство к каждому пациенту, проходит усовершенствование скорости его естественного растворения в организме. Исследователи изучают возможности усовершенствований, которые сделают устройство совместимым с носимым кардиостимулятором. Это предполагает интеграцию беспроводного светодиода или светодиода под кожу, который подключается к устройству через оптическое волокно.
Конечной целью исследования является расширение сферы применения того, что мы называем фотоэлектроцевтиками, за пределы кардиологической помощи. Сюда входит нейростимуляция, нейропротезы и обезболивание для лечения нейродегенеративных состояний, таких как болезнь Паркинсона.
Ранее исследователи выявили новый путь развития сердечно-сосудистых заболеваний, связанный с высоким уровнем ниацина (одного из видов витамина B — B3), который ранее рекомендовался для снижения уровня холестерина.
