А вместо сердца биотопливный мотор: в МФТИ создали «вечный» источник питания для кардиоимплантов
Магистрантка Физтех-школы природоподобных, плазменных и ядерных технологий имени И. В. Курчатова разработала ферментный биотопливный элемент для имплантируемых медицинских устройств. Предложенная модель не требует замены в отличие от литий-ионных батарей, ротацию которых необходимо выполнять раз в 5-10 лет. Оперативные медицинские вмешательства травматичны для пациентов и критически опасны для людей пожилого возраста. Об этом CNews сообщили представители МФТИ.
Ферментный биотопливный элемент — это устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую при помощи биокатализаторов. Образование электронов на аноде происходит за счет окисления ферментом. Проще говоря, механизм работает за счет окисления глюкозы.
При разработке данного устройства был использован стент для установки электрохимического элемента в сосуд малоинвазивным способом. Инсталляция происходит путем ангиопластики, т.е. через прокол в вене или артерии. Стент вводится в сосуд, и при попадании в нужное место он раздувается специальным баллоном.
Использование биотопливного элемента можно в полной мере назвать инструментом здоровьесбережения. Операция по установке этого устройства не предполагает обширного хирургического вмешательства: инсталляция происходит посредством стента (специального каркаса, который помещается в просвет коронарных сосудов сердца или жёлчного протока, и обеспечивает расширение участка). Для сравнения: хирургическое вмешательство при проведении замены кардиостимулятора длится около часа. Врач делает небольшой надрез кожи, старый кардиостимулятор отсоединяют от электродов и извлекают из кармана между мышц. На его место помещают новый электрокардиостимулятор и подключают к тем же электродам. Затем проводят тест работы устройства и накладывают швы на надрез.
«Использование биотопливного элемента (БТЭ) позволит предотвратить подобные оперативные вмешательства по замене аккумулятора т.к. механизм использует в качестве топлива глюкозу из организма, концентрация которой поддерживается постоянной благодаря гомеостазу. Имплантация посредством стента и вовсе исключает проведение открытой операции. Из перспективных наиболее безопасных способов решения проблемы можно выделить беспроводную зарядку устройства, однако это будет сопровождаться нагреванием окружающих тканей, что не очень благоприятно для организма», — сказала автор проекта, студентка МФТИ Екатерина Вахницкая.
Ферментный биотопливный элемент смогут использовать пациенты, которые используют активные имплантаты, а также люди, страдающие сахарным диабетом — для питания биосенсоров и других датчиков. Полезна разработка, по словам Екатерины Вахницкой, и научному сообществу — устройство может выступить в качестве модели для создания других биомедицинских устройств.
«Биотопливный элемент преобразует химическую энергию органических веществ в электрическую посредством электрохимической реакции. Он состоит из электролита, анода и катода. Принцип работы элемента заключается в окислении топлива на аноде с высвобождением электронов и протонов. Затем протоны проникают через раствор электролита к катоду, а электроны проходят через внешнюю цепь, к которой приложена нагрузка. После чего электроны переносятся на катод, где они используются вместе со свободными протонами для восстановления кислорода до воды», — сказала Екатерина Вахницкая.
Проект «Разработка ферментного биотопливного элемента, интегрированного в стент для сосудистой хирургии» стал победителем конкурса УМНИК и получил грант в размере 500 тыс. руб.
Сейчас исследовательница Екатерина Вахницкая работает над усовершенствованием конструкции биотопливного элемента. В ближайшее время студентка МФТИ намерена провести тестовые испытания in vitro (в искусственных условиях, вне организма или естественной среды).