Новое исследование представило метод беспроводной передачи энергии для имплантируемых медицинских устройств (ИМУ) с помощью предварительно заряженного ультразвукового микрочипа (CMUT). В отличие от традиционных систем, которым нужен постоянный внешний источник тока, этот чип хранит заряд внутри себя и работает в режиме постоянного накопления. Эффективность преобразования энергии достигает 29,7%, а мощность — 10,1 мВт, что превышает потребности большинства ИМУ. Заряд сохраняется более двух лет. Это открытие делает медицинские импланты безопаснее, компактнее и долговечнее.

Современные ИМУ — кардиостимуляторы, нейростимуляторы, дефибрилляторы — зависят от встроенных батарей. Их приходится менять, а значит, снова оперировать пациента. Беспроводная передача энергии через магнитное поле или ультразвук могла бы решить проблему, но у каждого метода есть недостатки: слабое проникновение через ткани, сложности с настройкой, риски для здоровья. Ультразвук выглядит перспективнее: он безопасен и глубже проникает в тело. Однако большинство ультразвуковых систем требуют внешнего питания, что усложняет их использование.

Инженеры из Университета Северной Каролины нашли решение. Они создали CMUT со встроенным конденсатором, который хранит заряд годами. Устройство не нуждается во внешнем источнике тока — его заряжают один раз перед имплантацией. В тестах система выдала рекордные 10,1 мВт мощности с КПД 29,7%.

Результаты опубликованы в издании Microsystems & Nanoengineering.

Секрет в конструкции: между двумя электродами находится «плавающий» слой. Перед имплантацией на него подают ток и ультразвуковое давление, чтобы перенести заряд на нижний электрод. После этого устройство преобразует ультразвук в электричество без дополнительных источников. Тесты подтвердили стабильную работу на частоте 2,45 МГц без потери эффективности. Все параметры соответствуют нормам FDA.

Это прорыв в питании имплантов, — говорит доктор Омер Оралкан, руководитель исследования. — Наша система не требует внешнего питания и сохраняет заряд годами. CMUT можно масштабировать, он биосовместим и подходит для разных устройств — от кардиостимуляторов до дозаторов лекарств.

В будущем ученые планируют создать двумерные массивы CMUT, чтобы решить проблему выравнивания и увеличить мощность. Это откроет путь для компактных имплантов без батарей, которые работают десятилетиями.

Этот метод решает ключевую проблему имплантов — ограниченный срок службы батарей. Пациентам больше не придется ложиться под нож каждые 5–10 лет для замены источника питания. Кроме того:

• Уменьшается размер устройств — не нужно место для аккумулятора.
• Снижается риск осложнений (инфекции, отторжение).
• Расширяются возможности для новых типов имплантов, например, микроскопических датчиков.

Технология также открывает путь для «умных» имплантов с автономным питанием, которые смогут годами собирать данные о состоянии пациента.

Главный вопрос — как поведет себя конденсатор в реальных условиях человеческого организма. Да, лабораторные тесты показали стабильность, но долгосрочное воздействие температуры, давления и биохимических процессов может повлиять на сохранение заряда.

Ранее ученые сообщили о разработке гибкого ультразвукового приемника. который можно вживлять в тело или крепить на кожу.