A próxima geração de energia do dispositivo cardíaco: Avanços na substituição da bateria e recarregábilidade

Dispositivos eletrônicos implantáveis cardíacos (CIEDs) – incluindo marcapassos, cardioversores-desfibriladores implantáveis (CIDs) e sistemas de terapia de ressincronização cardíaca (CRT) – transformaram o manejo de arritmias, insuficiência cardíaca e morte cardíaca súbita. Durante décadas, o calcanhar de Aquiles desses dispositivos salva-vidas tem sido sua fonte de energia. Baterias convencionais baseadas em lítio oferecem uma vida finita, tipicamente de cinco a quinze anos, após o qual todo o dispositivo deve ser cirurgicamente explantado e substituído. Que o procedimento de substituição carrega riscos de infecção, sangramento, danos ao chumbo e aumento dos custos de saúde, e pode corroer a qualidade de vida do paciente. Mas uma onda de tecnologias emergentes promete mudar esse paradigma. De sistemas de recarga sem fio que eliminam a necessidade de cirurgia para mecanismos de captação de energia que extraem energia do próprio corpo, o futuro da potência do dispositivo cardíaco está evoluindo rapidamente.

Este artigo explora as inovações mais promissoras na substituição de baterias de dispositivos cardíacos e na recarga – incluindo carregamento indutivo, colheita de energia piezoelétrica, microbaterias biocompatíveis e transferência de energia ultrassônica – e examina como essas tecnologias podem reduzir a morbidade, prolongar a longevidade do dispositivo e melhorar os resultados dos pacientes.

Desafios atuais com Baterias de Dispositivos Cardíacos Convencionais

A bateria padrão usada em marcapassos e CDIs é uma célula de óxido de lítio-iodo ou de lítio-prata. Embora essas farmácias ofereçam alta densidade energética e desempenho confiável, elas são projetadas como células primárias (não recarregáveis). Uma vez que a bateria atinge o fim de vida — indicada por um declínio de tensão ou um indicador de substituição eletiva específico — o paciente deve ser submetido a um procedimento de substituição. Só nos Estados Unidos, mais de 300.000 substituições de gerador CIED são realizadas a cada ano. O custo de um procedimento de substituição único pode exceder US $ 30 mil quando fatorar na internação, taxas de cirurgião e custos do dispositivo.

Além da sobrecarga financeira, a cirurgia repetida aumenta o risco de complicações. Um grande estudo de registro constatou que a substituição do gerador acarreta um risco de 4-7% de eventos adversos maiores, incluindo infecção, hematoma e deslocamento de chumbo. Para pacientes com múltiplas comorbidades, cada operação adicional aumenta a chance de morbidade. Além disso, a depleção de bateria pode ser imprevisível; os pacientes podem sentir ansiedade significativa à medida que seu dispositivo se aproxima do intervalo de substituição recomendado.

Além disso, a pegada ambiental de geradores de marca-passo descartados — contendo metais, eletrônicos e materiais tóxicos — está crescendo à medida que aumenta o número de dispositivos implantados.Uma abordagem mais sustentável e recarregável beneficiaria tanto os pacientes quanto os sistemas de saúde.

Tecnologias de carregamento sem fio para dispositivos implantáveis

Uma das soluções mais ativamente investigadas é a transferência de energia sem fio (WPT). Ao evitar contatos elétricos diretos ou fios penetrantes, os sistemas WPT podem recarregar a bateria interna do dispositivo através da pele intacta. Várias modalidades estão em desenvolvimento.

Acoplamento indutivo

A carga indutiva utiliza um par de bobinas de acoplamento frouxo: uma bobina de transmissão externa colocada na superfície da pele e uma bobina receptora incorporada no interior do dispositivo. A corrente alternada na bobina externa gera um campo magnético que induz tensão na bobina do implante. Esta tecnologia já é usada em eletrônicos de consumo (por exemplo, almofadas de recarga de smartphones) e em alguns implantes médicos, como implantes cocleares e dispositivos de assistência ventricular. Para dispositivos cardíacos, a carga indutiva pode fornecer vários watts de potência em uma distância de alguns centímetros.

Pesquisadores demonstraram sistemas de carregamento indutivo transcutâneo para marcapassos que podem recarregar uma bateria de 20% para a capacidade total em cerca de duas horas. O carregador externo pode ser usado como um patch ou colocado sobre o local do implante durante o sono. Os principais desafios incluem manter o alinhamento entre bobinas (o movimento do paciente pode reduzir a eficiência), gerenciar a geração de calor para evitar danos teciduais e garantir que o carregador externo não interfere com o sensor de dispositivo ou as funções de estimulação.

Transferência de Energia Ultrassônica

Uma alternativa aos campos magnéticos é a transmissão de energia ultrassônica. Ondas sonoras de alta frequência (acima da audição humana) podem viajar através do tecido e ser convertidas em energia elétrica através de um receptor piezoelétrico dentro do dispositivo. Sistemas ultrassônicos podem ser mais compactos do que bobinas indutivas e não sofrem da mesma sensibilidade de alinhamento. Eles também apresentam risco mínimo de interferência eletromagnética com outros equipamentos médicos.

Estudos recentes em animais mostraram recarregamento ultrasônico de baterias de marcapasso em miniatura com eficiência próxima de 10-15% – menor que o acoplamento indutivo, mas ainda suficiente para carregar uma bateria durante períodos prolongados. O principal obstáculo é que o ultrassom atenua significativamente à medida que passa por bolsas de osso e ar (por exemplo, tecido pulmonar), de modo que a localização do implante deve ser cuidadosamente escolhida. Para dispositivos submusculares ou subcutâneos, o carregamento ultrasssônico pode se mostrar viável, especialmente para dispositivos com baixo consumo de energia, como marcapassos sem chumbo.

Transferência Electromagnética de campo médio e de campo distante

Pesquisadores em Stanford e outras instituições desenvolveram sistemas de energia sem fio de "campo médio" que usam ondas eletromagnéticas propagando nas dezenas a centenas de megahertz. Essas ondas – ao contrário dos campos indutivos de campo próximo – podem viajar através de tecidos heterogêneos e podem ser focadas usando uma antena externa de array faseado. O receptor interno é uma pequena antena (alguns milímetros de tamanho) que pode ser integrada na caixa do dispositivo. Em um marco de 2014, um protótipo foi usado para alimentar um marcapasso personalizado em um porco, marcando a primeira demonstração de transferência de energia sem fio de tecidos profundos para aplicações cardíacas. Refinamentos adicionais melhoraram a eficiência e reduziram o tamanho do transmissor externo.

Enquanto a tecnologia de meio campo permanece em grande parte pré-clínica, oferece a possibilidade tentadora de um “carregador utilizável” que pode recarregar automaticamente um implante enquanto o paciente dorme ou faz atividades diárias, sem necessidade de alinhamento preciso.

Energia Colheita: Dispositivos de alimentação do corpo

Em vez de depender de recarga externa intermitente, as tecnologias de captação de energia visam capturar energia de processos fisiológicos para cobrir continuamente a bateria do dispositivo — ou mesmo para acessá-la indefinidamente sem bateria. As fontes mais comuns são movimento mecânico, gradientes térmicos e fluxo de biofluidos.

Recolher Energia Piezoelétrica a partir do Movimento Cardíaco

Os materiais piezoelétricos geram uma carga elétrica quando submetidos a estresse mecânico. Para aplicações cardíacas, a contração e relaxamento periódicos do músculo cardíaco fornece uma fonte pronta de vibração e deformação. Integrar uma fina película piezoelétrica ou uma estrutura cantilever na concha externa do dispositivo ou anexá-lo ao miocárdio pode converter esses pulsos mecânicos em corrente elétrica.

Em um notável estudo de 2019, engenheiros desenvolveram um dispositivo piezoelétrico flexível que poderia ser enrolado em torno da superfície do coração, gerando energia suficiente para executar um pacemaker em condições realistas. Densidade de potência de saída atingiu aproximadamente 0,5-1 μW/cm2, o que é suficiente para um pacemaker de baixa potência (com consumo típico de 5-10 μW). O desafio está na biocompatibilidade de longo prazo: o material deve permanecer flexível o suficiente para evitar o movimento cardíaco e não deve desencadear inflamação ou fibrose que degradaria seu desempenho ao longo dos anos.

Nanogeradores triboelétricos (TENGs)

Os geradores de energia triboelétrica coletam energia da eletrificação de contato – a transferência de carga que ocorre quando dois materiais diferentes se tocam e se separam. No corpo, batimentos cardíacos e até mesmo respiração podem conduzir esse movimento relativo. TENGs podem ser fabricados a partir de silicone biocompatível e metais, e eles têm sido mostrados para produzir densidades de potência de pico de dezenas de microwatts por centímetro quadrado. Um papel 2021 demonstrou um plenamente implantável marcapasso baseado em TENG em um modelo animal grande que poderia manter a marcha sem bateria por curtos períodos. No entanto, TENGs tipicamente produzem pulsos de alta tensão, baixa corrente que exigem energia eletrônica para regular e armazenar energia; os próprios eletrônicos consomem energia, reduzindo ganhos líquidos.

Colheita termoelétrica

O corpo humano mantém uma temperatura central de ~ 37°C enquanto a superfície da pele é frequentemente 10- 15°C mais fria em condições ambientais normais. Essa diferença de temperatura pode ser explorada por geradores termoelétricos (TEGs) que convertem o fluxo de calor em eletricidade através do efeito Seebeck. Para os implantes subcutâneos, o gradiente de temperatura pode ser apenas alguns graus, produzindo tensões extremamente pequenas. Contudo, um TEG integrado a um pacemaker pode gerar um supercapacitor ou bateria a taxas de 1-5 μW – o suficiente para compensar a autodesativação da bateria ou para os circuitos de detecção de energia. Os investigadores da Universidade de Washington desenvolveram um TEG flexível que pode envolver um pacemaker, gerando cerca de 2,2 μW a um gradiente de 2°C. Embora inadequado para ligar completamente um dispositivo de estimulação, avanços significativos em materiais termoelétricos (tais como ligas de telureto de bismuto e termoelétricas orgânicas) podem empurrar a saída para níveis clinicamente úteis.

Arquiteturas de bateria recarregáveis para Implantes

Mesmo com o carregamento sem fio ou a colheita de energia, um elemento de armazenamento de energia recarregável ainda é necessário para amortecer a energia durante períodos de inatividade ou alta demanda (por exemplo, durante a desfibrilação). Baterias de íon de lítio e de lítio-polímero têm sido o padrão para dispositivos médicos recarregáveis (por exemplo, neuroestimuladores, bombas de insulina), mas seu uso em dispositivos cardíacos tem sido limitado por preocupações com a segurança, vida útil do ciclo e densidade de energia volumétrica.

Microbaterias biocompatíveis

Os recentes avanços nas baterias de estado sólido oferecem uma rota promissora. As baterias de lítio de estado sólido substituem o eletrólito líquido inflamável por um eletrólito sólido cerâmico ou polimérico, aumentando consideravelmente a segurança. São menos propensas a fugas, formação de dendritos e fuga térmica. Além disso, os projetos de estado sólido podem ser feitos extremamente finos e flexíveis, conformando-se às superfícies curvas de um pacemaker pode ou cápsula sem chumbo. Empresas como Cymbet, Ilika e TDK estão desenvolvendo baterias de estado micro-sólido com capacidades de várias horas de miliampere – o suficiente para alimentar um pacemaker sem chumbo durante semanas entre ciclos de carregamento. Essas baterias podem ser recarregadas milhares de vezes com o desbotamento mínimo de capacidade.

Outro formato emergente é a bateria de filme fino depositada diretamente na placa de circuito do dispositivo, utilizando sputtering ou deposição de camada atômica. Estas baterias são apenas micrômetros de espessura e podem ser integradas no corpo do dispositivo, economizando espaço. Em 2022, uma equipe da Universidade Rice demonstrou uma microbateria de iões de lítio flexível que pode suportar dobras repetidas e manuseio cirúrgico, tornando-o adequado para implantação.

Supercapacitores como buffers de energia

Supercapacitores (também chamados de ultracapacitores) armazenam energia eletrostaticamente e podem fornecer curtos surtos de alta corrente — exatamente o que é necessário para desfibrilação (que pode exigir pulsos de até 35 J). Ao usar supercapacitores em paralelo com uma bateria menor, a bateria pode ser dimensionada para consumo médio de energia enquanto o supercapacitor lida com demandas de pico. Esta abordagem híbrida prolonga a vida útil da bateria e permite um carregamento mais rápido sem estresse da química da bateria. Supercapacitores de grau médico estão agora disponíveis com carcaças biocompatíveis e vedações herméticas. Em uma aplicação desfibriladora, o supercapacitor pode ser carregado por alguns minutos por uma ligação indutiva, e então fornecer o choque em milissegundos. Estudos clínicos são necessários, mas protótipos iniciais mostram viabilidade.

Tradução Clínica e Considerações Regulatórias

Trazer qualquer nova tecnologia de energia para o mercado de dispositivos cardíacos requer testes rigorosos de segurança, confiabilidade e compatibilidade com a eletrônica do dispositivo. A Administração de Alimentos e Drogas (FDA) e organismos europeus notificados exigem testes de bancada extensiva, estudos em animais e ensaios clínicos.

  • Aquecimento de tecido: Carga indutiva e ultrassônica deve manter a temperatura subir abaixo de 2°C na interface de tecido para evitar lesões térmicas. Bobinas implantáveis geram correntes de corrente no tecido, que produzem aquecimento ohmic; design cuidadoso bobina e limitação de energia são necessários.
  • Interferência electromagnética (EMI): Os carregadores externos não devem interferir com a sensibilidade ou telemetria do dispositivo, nem com outros dispositivos implantados (por exemplo, neuroestimuladores).O FDA tem orientações específicas para os testes EMI (ISO 14117).
  • Biocompatibilidade e hermeticidade: Todos os componentes de bateria e carga devem ser encapsulados em um material biocompatível resistente à corrosão (titicamente titânio ou cerâmica) para evitar vazamento de produtos químicos tóxicos. O implante deve manter hermeticidade ao longo de anos de exposição a fluidos corporais.
  • Aderência ao paciente: Os sistemas recarregáveis exigem que os pacientes realizem regularmente sessões de carregamento.A falha pode levar à depleção prematura da bateria. Interfaces amigáveis ao usuário e carregamento automático quando o paciente dorme pode melhorar a conformidade.

Várias empresas já iniciaram ensaios clínicos. Por exemplo, a Medtronic explorou um sistema de carregamento indutivo para o seu marcapasso sem chumbo MicraTM (embora nenhum produto ainda esteja comercializado). Dispositivos de colheita de energia implantável foram testados em estudos em animais de curto prazo, mas nenhum teste humano foi concluído para um sistema de estimulação cardíaca primária. A linha do tempo para o mercado de um marcapasso totalmente recarregável ou auto-acelerado é estimada em 5-10 anos, assumindo-se a conclusão bem sucedida de estudos fundamentais.

Potencial Impacto na Prática Clínica e Resultados do Paciente

Se estas tecnologias emergentes amadurecerem, as implicações para a eletrofisiologia e cardiologia são substanciais. Eliminação de cirurgias de substituição de bateria reduziria a taxa de infecção (atualmente a maior causa de morbidade nas revisões de dispositivos), menores custos de saúde, e liberará o tempo de sala de cirurgia. Para crianças com cardiopatia congênita que necessitam pacemakers, um dispositivo recarregável poderia crescer com o paciente: a bateria não limitaria o tempo de vida, e o dispositivo poderia ser usado por décadas com apenas atualizações ocasionais do recarregádor. Da mesma forma, pacientes com CDIs que estão em alto risco de infecções (por exemplo, aqueles em diálise ou imunossupressão) se beneficiariam muito de evitar mudanças do gerador.

Além disso, a redução de tamanho permitida pelas microbaterias avançadas poderia acelerar a adoção de marcapassos sem chumbo, que atualmente são limitados pela capacidade da bateria para uma vida média de 10-12 anos. Um marcapasso sem chumbo recarregável poderia teoricamente durar indefinidamente, o que seria especialmente valioso para pacientes mais velhos e para aqueles com anatomia venosa complexa.

A colheita de energia poderia eventualmente eliminar a necessidade de qualquer bateria – um pacemaker “sem bateria” seria um avanço transformador. Nesse dispositivo, toda a energia viria diretamente de processos fisiológicos ou de uma fonte externa wearable. Um estudo de 2020 de prova de conceito da Universidade de Michigan demonstrou um sistema que sem fio alimentado um pequeno implante via ultra-som, enquanto recarregando simultaneamente uma bateria wearable externa, criando uma cadeia de alimentação de energia de circuito fechado.

Futuro Outlook: Integração e Gestão de Energia Inteligente

Olhando para a frente, o cenário mais provável é um sistema híbrido que combina recarga sem fio, uma pequena bateria recarregável e algum grau de captação de energia. O circuito integrado de gerenciamento de energia (PMIC) será crítico: ele deve inteligentemente alternar entre fontes de energia, maximizar a eficiência e proteger a bateria de sobrecarga ou descarga profunda. Avanços em microcontroladores de ultrabaixa potência e algoritmos de firmware permitirão que o dispositivo adapte seu cronograma de carregamento ao nível de atividade do paciente e demanda cardíaca.

Um paciente pode, por exemplo, usar um colete indutivo leve por 30 minutos toda noite, enquanto assiste televisão, o que carregaria totalmente o dispositivo. Durante o dia, uma colhedora piezoelétrica no dispositivo pode adicionar 10-20% da necessidade de energia diária. Se o paciente se esquecer de carregar, o sistema pode enviar uma notificação para um smartphone e apresentar um tom audível do carregador externo. Em versões mais avançadas, o carregador pode ser incorporado em um travesseiro ou almofada, ativando automaticamente quando o paciente está em decúbito dorsal.

Além disso, à medida que a inteligência artificial se integra em dispositivos cardíacos, as demandas de energia podem aumentar. Algoritmos para detecção de arritmias, monitoramento remoto e estimulação adaptativa requerem mais recursos computacionais. Uma plataforma de energia sustentável que pode escalar com a complexidade futura do dispositivo é essencial. As baterias emergentes, como o enxofre de lítio e o ar de lítio, oferecem densidades de energia teóricas 5-10 vezes superiores ao ião lítio, embora estejam longe da confiabilidade do grau de implante. Da mesma forma, ] as células de biocombustível que utilizam glicose ou lactato da corrente sanguínea estão sendo investigadas como fonte de energia de longo prazo, inspiradas no trabalho precoce em células de combustível enzimático.

Conclusão

A era da bateria de aparelhos cardíacos selados e não recarregáveis está chegando ao fim. Avanços na transferência de energia sem fio, colheita de energia e microbaterias recarregáveis estão convergendo para oferecer alternativas mais seguras, mais convenientes e sustentáveis. Enquanto os desafios de engenharia permanecem – particularmente em torno da eficiência, segurança, conformidade com o paciente e obstáculos regulatórios – a trajetória é clara. Na próxima década, pacientes com marcapassos e CDIs podem não mais enfrentar a perspectiva de cirurgias periódicas para substituir a bateria de seus dispositivos. Em vez disso, eles se beneficiarão de sistemas que podem ser recarregados de forma não invasiva, alimentados pelo movimento de seu próprio corpo, ou mesmo funcionar indefinidamente sem bateria. A integração dessas tecnologias promete não só reduzir o risco e o custo, mas também melhorar a qualidade de vida de milhões de pessoas vivendo com dispositivos eletrônicos implantáveis cardíacos.