Современные кардиостимуляторы без электродов требуют замены после истощения заряда батареи, несмотря на то, что для установки нового прибора требуется хирургическое вмешательство непосредственно в сердце. Разработка ученых представляет собой устройство, использующее энергию сердечных сокращений, и успешные испытания которого проводились на свиньях в течение месяца.

Современные кардиостимуляторы обладают возможностью длительного мониторинга сердечного ритма, обеспечивая его поддержание с помощью электрических импульсов при необходимости. Тем не менее, их функционирование все еще зависит от источника питания, что требует замены батареи и последующей установки нового устройства после ее истощения. Замена безэлектродного кардиостимулятора представляет собой особенно сложную задачу, поскольку он фиксируется непосредственно внутри правого желудочка. В связи с этим, изношенную капсулу часто деактивируют и оставляют в сердце, одновременно имплантируя новую конструкцию рядом с ней.

Безэлектродные кардиостимуляторы начали применяться в медицинской практике примерно в середине 2010-х годов. Они позволяют избежать необходимости создания подкожного кармана и использования проводов, что снижает риск инфекций и механических повреждений, характерных для традиционных систем. Ранее было установлено, что частота серьезных осложнений и повторных операций не превышает пяти процентов. Однако батареи этих устройств рассчитаны на срок от восьми до семнадцати лет, после чего возникает необходимость решения вопроса о замене находящейся внутри сердца капсулы.

В связи с этим инженеры стремятся разработать способ получения кардиостимуляторами энергии без хирургического вмешательства для увеличения срока их службы. В качестве потенциальных источников рассматриваются тепло тела, кровоток, дыхание и движения сердечной мышцы. При этом генератор должен быть компактным, не препятствовать нормальной работе сердца и выдерживать миллионы циклов сокращений.

Группа ученых из разных стран разработала генератор, предназначенный для использования вместо батареи в серийном безэлектродном кардиостимуляторе, при этом не увеличивая общие габариты капсулы. Ранее источники питания обычно представляли собой отдельные компоненты от полноценного имплантируемого устройства. О результатах этой разработки сообщается в журнале Science Advances.

Внутри корпуса генератора расположены два миниатюрных колебательных элемента, симметрично расположенные по обе стороны от электронной части кардиостимулятора. Эти элементы состоят из пар тонких пластин, одна сторона которых покрыта медью, а другая – специальной полимерной пленкой. Во время сокращения сердца пластины сближаются, вступают в контакт и расходятся вновь. Образующийся при этом электрический заряд либо направляется к электронной схеме, либо накапливается в небольшом конденсаторе.

Для достижения оптимальной эффективности исследователям потребовалось определить точную толщину пластин и подложки, ширину проводников и жесткость всей конструкции. Слишком жесткий генератор мог бы неадекватно реагировать на движения сердца, а слишком мягкая конструкция могла бы быстро деформироваться и потерять заданную форму. При этом механизм должен совершать миллионы колебаний, продолжая генерировать электричество без признаков износа.

В ходе лабораторных испытаний генератор достиг мощности в 276,6 микроватта на кубический сантиметр. По мнению ученых, этого достаточно для обеспечения функционирования кардиостимулятора. После этого устройство было собрано и имплантировано в сердце свиньи, где его работа контролировалась в течение месяца. В ходе наблюдений генератор обеспечивал энергией работу кардиостимулятора, а генерируемые электрические импульсы вызывали сокращения сердца. Гистологическое исследование тканей не выявило признаков реакции по сравнению с обычным внутрисердечным устройством.

В настоящее время исследование ограничилось использованием всего одной особи свиньи, а продолжительность эксперимента составила лишь один месяц. При этом, в функционирующем сердце животного генератор демонстрировал меньшую максимальную мощность по сравнению с результатами, полученными при проведении лабораторных тестов. Эластичные ткани оказывают демпфирующий эффект, снижая эффективность работы устройства, и анатомическое строение сердца не обеспечивает прямолинейного сокращения. В процессе сжатия оно подвергается скручиванию, в то время как оптимальная работа механизма достигается при равномерном приближении и удалении пластин. Специалистам необходимо найти решение для преодоления возникшей трудности.