Новое поколение
беспроводных зарядок.
Но теперь — для медицинских имплантов
в глубоких тканях.
В последние годы медицинские имплантаты стали настоящим спасением для людей с серьёзными заболеваниями — например, кардиостимуляторы поддерживают работу сердца, а нейромодуляторы помогают при эпилепсии и болезни Паркинсона. Однако развитие этой области сталкивается с проблемой обеспечения надёжного питания устройств, внедряемых глубоко внутрь человеческого тела, без прибегания к сложным операциям дабы не подвергать пациентов излишним рискам.
Исследователи из Медиалаборатории Массачусетского технологического института (MIT Media Lab) решили попробовать создать беспроводную зарядку по типу тех, что уже довольно обычны для наших смартфонов. Единственные «но» — она должна быть миниатюрной настолько, чтобы пройти через иглу шприца, и быть способной функционировать в живом теле, не причиняя ему вреда. В октябрьской статье в номере IEEE Xplore они описывают свою антенну размером с песчинку (менее полумиллиметра), которую можно вводить в организм посредством обычной инъекции.
Итак, разработанное решение действительно позволяет питать глубокотканевые медицинские имплантаты беспроводным способом. Это означает, что, в отличие от обычных на сегодняшний день, будущим аналогам не понадобятся громоздкие элементы питания. Батареи в несколько сантиметров, магнитные катушки (также немаленькие), которыми снабжается такая оздоровительная электроника сейчас, останутся в прошлом. Это будет просто укол: без хирургической установки, без побочного нагрева окружающих тканей высокочастотными катушками, без нужды в периодической замене элементов.
«Это следующий важный шаг в миниатюризации имплантатов для глубоких тканей. Это позволит создавать имплантаты без батареек», — утверждает Баджу Джой, аспирант группы Nano-Cybernetic Biotrek.
Как это работает.
Поиски решения задачи привели команду к использованию магнитострикционной техники в связке с пьезоэлектрическими материалами. В результате получилась антенна толщиной всего 200 микрометров, способная работать на безопасной для организма частоте 109 кГц, не вызывая перегрева близлежащих тканей. Её принцип действия чем-то напоминает музыкальную пластинку, где аудиосигнал получается из колебаний иглы звукоснимателя, следующей за неровностями дорожки на виниле. Здесь примерно то же самое: один из слоёв вибрирует под влиянием внешнего магнитного поля, имитируя дорожки пластинки, а другой слой — пьезоэлектрический — переводит эту вибрацию в электрическую энергию, подобно звукоснимателю проигрывателя.
«Наша технология может открыть новые возможности для создания минимально инвазивных биоэлектрических устройств, которые могут работать без проводов глубоко внутри человеческого тела», — подчёркивает старший автор исследования Деблина Саркар, доцент Медиалаборатории и руководитель группы Nano-Cybernetic Biotrek.
Она также говорит, что новая антенна обеспечивает в четыре-пять раз большую мощность, чем имплантируемые антенны аналогичного размера. И это при том, что упомянутые аналоги используют металлические катушки и работают в рискованным для здоровья диапазоне в ГГц. К тому же магнитное поле, активирующее антенну, создаётся довольно компактным устройством, которое крепится к коже пластырем или вообще лежит в кармане — лишь бы близко к поверхности кожи.
Джой уточняет, что уже накоплен огромный опыт в миниатюризации электроники, а остальные компоненты имплантата могут быть даже мельче антенны. Вся система получается настолько маленькой, что помещается в игле, с помощью которой её можно ввести под кожу. А учитывая, что её можно производить по технологиям микрочипов, интегрируя с существующей электроникой, массовое производство становится не просто возможным, а даже в каком-то смысле неизбежным. Такая миниатюрность, доступность и безопасность позволит вводить несколько подобных устройств одному пациенту для лечения больших участков тела или обширной многопрофильной диагностики.
Например, кроме поддержки сердца и лечения неврологических заболеваний, новая антенна позволяет людям, страдающим диабетом, отказаться от болезненных уколов для замеров уровня глюкозы в крови. Уже существуют схемы с оптическим датчиком для определения уровня глюкозы, и этот процесс значительно выиграет от использования беспроводного источника питания. Всё, что нужно — такой анализатор и новая антенна: просто иногда заряжайте её, ведя уже неинвазивный мониторинг.
Современная медицина всё чаще сталкивается с задачей минимального вмешательства, точного мониторинга и снижения рисков для пациента. Данная работа — отличный пример того, как достижения наноэлектроники и материаловедения помогают решать эти задачи, создавая новые перспективы для медицины будущего и технологий здоровья.
«Это всего лишь один пример, — говорит Джой. — Мы можем использовать все эти и другие технологии, которые разрабатываются с применением тех же методов производства, а затем легко интегрировать их в антенну».
По материалам АРМК.