Человек – биохимический реактор: студентка разработала «вечный» мотор для кардиостимулятора

Превращать пациентов в «биореакторы», организмы которых сами будут вырабатывать энергию для имплантируемых медицинских устройств типа электрокардиостимуляторов, начнут в ближайшем будущем российские медики. В МФТИ разработали для этого биобатарейку, работающую на… собственной глюкозе пациента.

Биотопливный элемент в просвете искусственного сосуда. фото: МФТИ

Биотопливный элемент был представлен на днях в Физтех-школе природоподобных, плазменных и ядерных технологий имени И.В. Курчатова. Специалисты утверждают, что в будущем, после клинических испытаний, он может с успехом заменить привычные всем литий-ионные батареи для электрокардиостимуляторов. В отличие от последних его не понадобится менять через каждые 5-10 лет, что бывает критически опасно для людей пожилого возраста: теоретически он должен работать вечно.

Напомним, что собой представляет процедура установки и замены традиционных имплантатов на литий-ионных батарейках. Врач делает небольшой разрез на грудной клетке и вводит электроды через вены в обеспечивающий ток крови по кровеносным сосудам»>сердце. Затем кардиостимулятор устанавливается под кожу над грудиной и соединяется с электродами. После операции пациенту рекомендуется оставаться в стационаре еще несколько дней для наблюдения за состоянием здоровья.

Предложенная сотрудниками МФТИ альтернатива литий-ионным батареям – электрохимический элемент, который вставляется в сосуд малоинвазивным способом. инсталляция происходит путем ангиопластики, то есть не через разрез, а через прокол в вене или в отличие от вен. Получается, стент (цилиндрическая капсула с биобатарейкой) вводится в сосуд без серьезного хирургического вмешательства. К тому же он не потребует периодической замены, поскольку топливом будет служить собственный фермент пациента – глюкоза.  

Автор проекта Екатерина Вахницкая за работой в лаборатории. фото: МФТИ

По сути биотопливный элемент – это устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую при помощи биокатализаторов. Механизм работает за счет окисления глюкозы, концентрация которой в организме постоянна за счет его гомеостаза – саморегуляции.

– Наш биотопливный элемент преобразует химическую энергию органических веществ в электрическую посредством электрохимической реакции, – поясняет автор работы Екатерина Вахницкая. – Он состоит из электролита, анода и катода. Принцип работы элемента заключается в окислении топлива (глюкозы) на аноде с высвобождением электронов и протонов.

– С топливом понятно, а не будет ли разлагаться с годами сам материал, из которого сделан ваш элемент питания?

– Электроды, из которых он состоит, выполнены из гидрогеля, который очень напоминает биоткань. К тому же мы впервые добавили в состав этого материала модифицированный графен, который улучшает проводимость электродов и увеличивает площадь их поверхности. Конечно, предстоящие опыты по его эксплуатации покажут степень долговечности материала, но мы надеемся, что он будет служить пациенту всю жизнь. 

Биотопливный элемент в стенте, находящийся внутри трубки, имитирующей сосуд. фото: МФТИ

Ферментный биотопливный элемент, по словам разработчика, смогут использовать люди, использующие активные имплантаты, а также те, кто страдает сахарным диабетом, – для питания биосенсоров и других датчиков. 

Единственной перспективной альтернативой биотопливной «батарейке» для медицинских устройств могла бы быть беспроводная зарядка устройства, однако это, по словам Вахницкой, будет сопровождаться нагреванием окружающих тканей, что не очень благоприятно для организма.

сейчас исследовательница работает над усовершенствованием конструкции биотопливного элемента и готовится испытать ее в лабораторных условиях.

Источник