Американські науковці розробили прототип мозкового імплантату для глибокої стимуляції, що не потребує зовнішнього джерела живлення. Енергію для його роботи пропонують отримувати від рухів грудної клітки при диханні, у чому допоможе трибоелектричний генератор. Випробування технології успішно провели з використанням свинячих легень та мишачого мозку. Дослідження описане в журналі Cell Reports Physical Science.
Концепція живлення мозкового імплантату від рухів вдиху й видиху. EsraaElsanadidy et al. / Cell Reports Physical Science, 2022
Яка потреба у цьому винаході?
Імплантати для глибокої стимуляції мозку вже зараз використовуються у клінічній практиці при лікуванні різних неврологічний та психічних розладів, наприклад хвороби Паркінсона та важкої депресії, які не піддаються стандартним методам контролю. Таке лікування зазвичай дуже тривале або навіть постійне, а тому імплантатам потрібне джерело живлення. Здебільшого ним є імплантована під шкіру батарея із зарядом, достатнім для 3-5 років роботи, після чого її треба замінити. Це незручно, оскільки супроводжується повторними ризиками, що властиві хірургічному втручанню, наприклад, інфікування, рубцювання або виникнення болю. Тож вчені з Університету Коннектикуту очолили дослідження, у якому шукали спосіб обійтися без батарей для мозкових імплантатів.
Чим завершилися пошуки вчених?
Науковці запропонували живити імплантати від рухів грудної клітки при диханні. Ідея використовує можливості трибоелектричного ефекту — електризації тіл при їхньому терті одне об одне. Вони створили прототип мозкового імплантату, живлення якого забезпечується зв'язаним із ним трибоелектричним генератором, в основі якого два шари полімерного матеріалу, накладених одне на одне. Він призначений для імплантації на грудну стінку і таким чином при природних рухах дихання трибоелектричні шари полімеру зміщуватимуться один відносно іншого й генеруватимуть електричний струм. Сам електричний струм при цьому накопичуватиметься у суперконденсаторах, що передаватимуть енергію генератору електричних імпульсів для мозкової стимуляції.
Схема будови мозкового імплантату, що живиться від рухів дихання, де Bio-TENG - трибоелектричний генератор, а Bio-SuperCap - суперконденсатор. EsraaElsanadidy et al. / Cell Reports Physical Science, 2022
Як це працює у реальності?
Поки що прототип випробували в лабораторних умовах, включно з моделлю свині, якою симулювали дихання живої людини, та мозком миші, який стимулювали. Модель свині являла собою свинячі легені у штучній грудній клітці людини, з'єднані з повітряною помпою, яка прокачувала через них повітря, імітуючи вдих і видих.
Система успішно спрацювала у перших випробуваннях. Щоб зарядити п'ять послідовно з'єднаних суперконденсаторів до 4 вольт, знадобилося 117 хвилин імітованого дихання. Після цього електрична стимуляція мишачого мозку вмикалася і могла безперервно відбуватися з імпульсами 1,8 вольт з частотою 100 герців (комерційні імплантати використовують 60-135 герц і 1-4 вольти) протягом 34 секунд. Після цього напруга падала до 3,5 вольта, і стимуляція припинялася на 16 хвилин, під час яких пристрій поновлював заряд від енергії дихання до 4 вольт і знову починав стимуляцію.
Хоча зазвичай сучасні імплантати здійснюють постійну стимуляцію мозку, схоже чергування стимуляції та періоду спокою має потенціал. Та автори зазначають, що режим роботи системи можна змінити, включно з тривалістю стимуляції та інтервалами між нею, щоб підлаштувати під потреби окремого пацієнта.