AM: Статическое электричество применили для повышения долговечности биоимплантов

Инновации в области медицинских технологий, достигнутые благодаря интеграции науки и медицины, повышают качество жизни пациентов.

Особенно следует отметить появление электронных устройств, имплантируемых в тело, например, в сердце или мозг, которые позволяют в режиме реального времени измерять и регулировать физиологические сигналы, предлагая новые решения для таких сложных состояний, как болезнь Паркинсона. Однако технические ограничения препятствуют полупостоянному использованию электронных устройств после их имплантации.

Совместная исследовательская группа под руководством профессора Сунг-Мин Парка с факультетов конвергентной ИТ-инженерии, машиностроения и электротехники, а также Школы междисциплинарной бионауки и биоинженерии POSTECH, а также Джихо Ли, участвующего в программе MS/Ph.D., и профессора Санг-Ву Кима с факультета материаловедения и инженерии университета Йонсей, а также доктора Янг-Джун Кима и студента MS/Ph.D. Джун-Ха Хванга из университета Сунгкюнкван добилась новаторского результата. Они создали электростатические материалы, которые работают даже при очень слабом ультразвуке, предвещая эру постоянных имплантируемых электронных устройств в биомедицине.

Исследование опубликовано в международном научном журнале Advanced Materials.

Пациентам с имплантированными устройствами приходится периодически проводить операции по замене батарей. Этот процесс сопряжен со значительным риском осложнений и налагает на пациентов как экономическое, так и физическое бремя. Последние исследования посвящены имплантируемым медицинским устройствам, которые работают без проводов, однако поиск безопасного источника энергии и защитных материалов остается сложной задачей. В настоящее время используется титан (Ti) благодаря его биосовместимости и долговечности. Однако радиоволны не могут проходить через этот металл, что требует отдельной антенны для беспроводной передачи энергии. Следовательно, это увеличивает размер устройства, создавая больший дискомфорт для пациентов.

Исследовательская группа решает эту проблему, используя вместо радиоволн ультразвук — метод диагностики и лечения, подтвержденный безопасностью в различных областях медицины. Они разработали электростатический материал, способный реагировать на слабый ультразвук, используя композит из высокодиэлектрических полимеров (P (VDF-TrFE)) и керамического материала с высокой диэлектрической проницаемостью, известного как титанат меди-кальция (CCTO, CaCu₃Ti₄O₁₂). Этот материал генерирует статическое электричество за счет трения между слоями материала, вырабатывая эффективную электрическую энергию, и обладает чрезвычайно низким выходным сопротивлением, способствующим эффективной передаче генерируемого электричества.

Используя эту технологию, исследовательская группа создала имплантируемый неврологический стимулятор, работающий на основе ультразвуковой передачи энергии, что устраняет необходимость в батареях. Это было подтверждено экспериментальной проверкой. В испытаниях на животных устройство активировалось даже при стандартных уровнях ультразвука для визуализации (500 мВт/см²), оказывая минимальную нагрузку на организм человека. Кроме того, благодаря стимуляции нервов устройство эффективно снимало симптомы, связанные с аномальным мочеиспусканием, вызванным гиперактивным мочевым пузырем.

Профессор Сунг-Мин Парк говорит:

Мы решили проблемы в области имплантируемых медицинских устройств с помощью безвредной для человеческого организма технологии передачи энергии на основе ультразвука. Это исследование служит примером внедрения передовых материальных технологий в медицинские устройства, и мы ожидаем, что оно будет способствовать появлению медицинской промышленности нового поколения, включая лечение трудноизлечимых заболеваний с помощью имплантируемых устройств.

Профессор Сан-Ву Ким заключает:

Устройства, изготовленные на основе высокобиосовместимых материалов, обладают отличной механической и химической стабильностью, что делает их пригодными для лечения различных заболеваний, требующих длительной терапии. Миниатюрные компоненты без батареек, обладающие длительной стабильностью, как ожидается, приведут к появлению новых инноваций на рынке медицинских устройств, вживляемых в организм человека.

04.01.2024