Новые тенденции в технологии аккумуляторных батарей Pacemaker и сборе энергии

Введение

Кардиометрия спасла миллионы жизней с момента появления первого имплантируемого кардиостимулятора в конце 1950-х гг. За десятилетия эти устройства превратились из громоздких внешних блоков в сложные имплантируемые системы, которые точно регулируют сердечный ритм. Одной из самых постоянных проблем в конструкции кардиостимулятора было управление питанием. Батарея, которая управляет устройством, должна быть небольшой, безопасной, надежной и долговечной, все время работы внутри человеческого тела в сложных физиологических условиях. Последние достижения в области материаловедения, микроэлектроники и сбора энергии толкают кардиостимуляторные системы питания в новую эру. Инженеры и клиницисты работают вместе, чтобы разрабатывать батареи, которые служат дольше, заряжаются быстрее и в конечном итоге полностью устраняют необходимость хирургической замены. В этой статье рассматриваются новые тенденции в технологии кардиостимуляторных батарей и сборе энергии, подчеркивая инновации, которые меняют сердечную помощь.

Текущий стандарт: литиевые батареи

На протяжении более четырех десятилетий литий-йодные батареи служили золотым стандартом для имплантируемых кардиостимуляторов. Эти клетки обеспечивают благоприятный баланс плотности энергии, стабильности напряжения и длительного срока хранения. Типичная литий-йодная кардиостимуляторная батарея обеспечивает от 1 до 2 ампер-часов емкости, что означает от пяти до пятнадцати лет работы устройства в зависимости от спроса на промежуточное устройство, особенностей устройства и факторов пациента, таких как частота сердечных сокращений и уровень зависимости.

Литиевые батареи, используемые в кардиостимуляторах, не такие, как литий-ионные ячейки, встречающиеся в бытовой электронике. Батареи-пейсмогенераторы предназначены для сверхнизких скоростей разряда, крайней надежности и герметичной герметизации для предотвращения утечки коррозионных материалов. Катод в литий-йодной ячейке представляет собой сплошной слой йода, смешанного с полимером, а анод — металлический литий. Между ними образуется тонкий электролитный слой йодидного лития, позволяющий проводить ионы при электрической изоляции электродов. Эта химия производит устойчивое напряжение около 2,8 вольт и постепенное снижение емкости, что дает клиницистам достаточное предупреждение перед истощением батареи.

Несмотря на их надежность, литий-йодные батареи имеют ограничения. Их плотность энергии ограничена твердотельной химией, а внутреннее сопротивление увеличивается с течением времени по мере утолщения слоя электролита. Пациентам, зависящим от кардиостимулятора, может потребоваться замена устройства каждые пять-восемь лет, каждая процедура несет риск инфекции, кровотечения и механических осложнений. Эти ограничения мотивировали интенсивные исследования источников питания следующего поколения, которые могут продлить долговечность устройства и уменьшить бремя повторных операций.

Технологии аккумуляторов следующего поколения

Исследователи преследуют несколько перспективных химических элементов и архитектур аккумуляторов, которые могут значительно превзойти существующие литий-йодные элементы. К ним относятся твердотельные батареи, усовершенствованные литий-ионные варианты и биосовместимые суперконденсаторы.

Твердотельные батареи

Твердотельные батареи заменяют жидкий или гелевый электролит, находящийся в обычных клетках, твердым ионным проводником. Эта конструкция предлагает ряд преимуществ для имплантируемых медицинских устройств. Твердые электролиты негорючи и химически стабильны, устраняя риск утечки или теплового бегства. Они также позволяют использовать высокопроизводительные литиевые металлические аноды, которые могут более чем вдвое увеличить плотность энергии по сравнению с литий-йодной химией.

Недавние прорывы в твердых электролитных материалах, таких как литиевые гранаты (например, LLZO) и сульфидные стекла, приблизили твердотельные аккумуляторы кардиостимулятора к коммерческой жизнеспособности. Эти материалы демонстрируют высокую ионную проводимость при температуре тела и остаются стабильными в течение тысяч циклов заряда-разряда. Такие компании, как QuantumScape и Ilika, продемонстрировали твердотельные элементы, которые сохраняют более 90 процентов своей первоначальной емкости после 1000 циклов, уровень долговечности, который будет поддерживать от двадцати до тридцати лет работы кардиостимулятора.

Миниатюризация твердотельных батарей является еще одной активной областью исследований. Тонкие твердотельные батареи, изготовленные с использованием распыления или осаждения атомного слоя, могут быть сделаны как небольшие, как несколько квадратных миллиметров, все еще обеспечивая достаточную мощность для прокладки. Эти микробатарей могут быть интегрированы непосредственно на плате кардиостимулятора, уменьшая объем устройства и позволяя более сложные многоэлектродные системы прокладки.

Расширенные литий-ионные варианты

В то время как стандартные литий-ионные элементы обычно не используются в кардиостимуляторах из-за проблем безопасности и ограниченного срока службы при низких скоростях разряда, новые катодные и анодные материалы изменяют это исчисление. Катоды литий-железофосфата (LFP) обеспечивают исключительную термостабильность и профиль плоского напряжения, что делает их привлекательными для имплантируемых применений. Спаренные с анодами титаната лития (LTO), клетки LFP могут достигать срока службы цикла, превышающего 10 000 циклов с минимальной пропускной способностью.

Другой вариант — химия монофторида лития-углерода (Li/CFx), которая сочетает высокую плотность энергии с постепенной кривой разряда, подобной литий-йодной. Ячейки Li/CFx могут хранить до 800 ватт-часов на килограмм, что более чем вдвое превышает аналогичный показатель обычных литий-йодных батарей. Исследователи продемонстрировали прототипы аккумуляторов кардиостимулятора с использованием химии Li/CFx, которые поддерживают стабильную выходную мощность напряжения в течение более пятнадцати лет моделируемой скорости. Эти ячейки в настоящее время проходят доклинические испытания на безопасность, и несколько производителей ожидают вывести их на рынок в течение следующих нескольких лет.

Биосовместимые суперконденсаторы

Суперконденсаторы хранят энергию электростатически, а не химически, что позволяет им доставлять высокую мощность короткими всплесками и выдерживать миллионы циклов заряда-разряда без деградации. Для кардиостимуляторов суперконденсаторы могут служить дополнением к батареям, обрабатывая высокие токовые требования импульсов промежуточной скорости, в то время как батарея поставляет среднюю мощность в течение более длительных периодов. Недавние достижения в углеродных нанотрубках и графеновых электродах произвели суперконденсаторы с плотностью энергии, приближающейся к плотности тонкопленочных батарей, наряду с возможностью зарядки в секундах.

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали гибкий суперконденсатор, изготовленный из биосовместимых материалов, который можно имплантировать вместе с кардиостимулятором. Устройство заряжается беспроводным путем от внешнего передатчика и может доставлять импульсы скорости в течение нескольких минут без батареи. Эта технология все еще находится на стадии исследования, но она указывает на будущее, в котором кардиостимуляторы работают в течение длительных периодов времени без первичных батарей.

Уборка энергии: питание устройств от тела

Для кардиостимуляторов методы сбора урожая направлены на снижение или устранение зависимости от первичных батарей, создание самоподдерживающихся устройств и устранение необходимости в замещающих операциях. Человеческое тело предлагает несколько источников энергии: механическое движение (сердцебиение, кровоток, движение мышц), тепловые градиенты (тепло тела относительно температуры окружающей среды) и химическая энергия (окисление глюкозы). Каждому требуется преобразователь, оптимизированный для низких уровней мощности, доступных внутри тела.

Пьезоэлектрическая энергия сбор урожая

Пьезоэлектрические материалы генерируют электрический заряд при механическом напряжении. Прикрепляя пьезоэлектрический консоль или мембрану к стенке сердца или крупному кровеносному сосуду, исследователи могут преобразовывать ритмические сокращения сердечного цикла в полезную электрическую энергию. Типичная выходная мощность от сердечного пьезоэлектрического комбайна колеблется от 1 до 20 микроватт, что достаточно для питания современного кардиостимулятора, работающего в низком рабочем цикле.

Знаковое исследование, опубликованное в 2023 году, продемонстрировало гибкое пьезоэлектрическое устройство на основе нановолокон цирконатного титаната свинца (PZT), встроенных в полимерную матрицу. При имплантации на поверхность свиного сердца устройство генерировало среднюю мощность 8,4 микроватт, достаточную для бесперебойной работы кардиостимулятора. Устройство оставалось функциональным более 8 миллионов циклов без усталости, что свидетельствует о отличной долговечности. Исследователи из Университета Торонто с тех пор разработали биосовместимый пьезоэлектрический комбайн с использованием нанопроводов из оксида цинка, что позволяет избежать содержания свинца в PZT и повышает долгосрочную безопасность.

Пьезоэлектрический сбор урожая сталкивается с несколькими проблемами. Выходная мощность сильно зависит от механической связи между комбайном и движущейся тканью, и любая деградация при сцеплении может снизить эффективность. Кроме того, комбайн должен быть инкапсулирован, чтобы предотвратить иммунный отторжение, при этом все еще позволяя механическое отклонение. Несмотря на эти препятствия, клинические испытания пьезоэлектрических кардиостимуляторов, как ожидается, начнутся в течение пяти лет.

Термальная энергия сбора урожая

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) преобразуют тепловой поток в электричество с помощью эффекта Зеебека. В организме человека существует небольшая разница температур между ядром (37 °C) и поверхностью кожи (обычно 28-34 °C в зависимости от условий окружающей среды). Помещая ТЭГ в тепловой контакт как с теплым внутренним органом, так и с более холодным подкожным слоем, исследователи могут непрерывно собирать несколько микроватт энергии.

Недавние усовершенствования термоэлектрических материалов, в частности сплавов на основе теллурида висмута и скуттерудитов, повысили эффективность сбора тепла для тела. Команда Института интегральных схем Фраунгофера разработала миниатюрную TEG размером всего 4 мм на 4 мм, которая производит 3,5 микроватт при разнице температур 2 ° C. В сочетании с усилительным преобразователем и небольшим конденсатором для хранения эта TEG может питать кардиостимулятор бесконечно в типичных условиях в помещении.

Основным ограничением термоэлектрического сбора является его зависимость от температуры окружающей среды. В теплых условиях, когда сужается температурный градиент кожи к ядру, снижается выходная мощность. Современные системы ТЭГ решают эту проблему путем включения буферов хранения заряда, которые накапливают энергию в благоприятных условиях и выделяют ее, когда градиент меньше. Для пациентов, живущих в тропическом климате, один только тепловой сбор может не обеспечить достаточной мощности, но он все еще может значительно продлить срок службы батареи.

Биотопливные клетки

Биотопливные клетки вырабатывают электричество путем окисления биохимических топлив, таких как глюкоза, с использованием ферментов или микробов в качестве катализаторов. Организм содержит устойчивый запас глюкозы в кровотоке, что делает его привлекательным источником топлива для имплантируемых устройств. Ферментативные клетки биотоплива глюкозы (GBFC) используют глюкозооксидазу или аналогичные ферменты в аноде для окисления глюкозы, в то время как кислород из крови уменьшается на катоде. Чистая реакция производит воду и небольшое напряжение, обычно около 0,5 до 0,8 вольт на клетку.

Последние достижения в области иммобилизации ферментов и наноструктурирования электродов улучшили плотность мощности и долговечность ГБФУ. Исследователи из Университета штата Юта сообщили о ячейке биотоплива глюкозы, которая производила 44 микроватта на квадратный сантиметр площади электродов, с периодом полураспада более 30 дней при непрерывной работе. Укладывая несколько клеток или увеличивая площадь поверхности электрода, можно достичь нескольких микроватт, необходимых для работы кардиостимулятора.

Однако биотопливные клетки сталкиваются со значительными препятствиями, прежде чем их можно будет использовать у пациентов. Ферменты со временем деградируют, требуя периодических стратегий замены или инкапсуляции, которые поддерживают активность. Электроды должны быть очень избирательными для глюкозы, чтобы избежать помех от других компонентов крови, и устройство не должно вызывать инородную реакцию организма, которая инкапсулирует его в волокнистую ткань. Несмотря на эти проблемы, концепция кардиостимулятора, работающего на собственном глюкозе крови пациента, остается одним из самых элегантных видений в сборе энергии.

Трибоэлектрические наногенераторы

Трибоэлектрические наногенераторы (ТЭНГ) производят электричество через эффект контактной электрификации, где два непохожих материала обмениваются зарядом при втирании вместе, а затем разделяются. В организме ТЭНГ могут активироваться сердечным движением, дыханием или кровотоком. Преимуществом ТЭНГ является их способность генерировать относительно высокие напряжения (от десятков до сотен вольт) от небольших механических смещений, которые затем могут быть понижены до полезных уровней для электроники.

Коллаборативная команда из Georgia Tech и Университета Коннектикута разработала TENG диаметром всего 1 сантиметр, который помещается на поверхности кардиостимулятора. При тестировании в модели крыс устройство производило среднюю мощность 3,6 микроватт от сердцебиения, достаточное для привода кардиостимулятора с низким порогом скорости. TENG поддерживал стабильную производительность более 10 миллионов циклов и не проявлял никаких признаков воспаления на поверхности сердца после четырех недель имплантации.

ТЕНГ еще далеки от клинического применения, но их простота и низкая стоимость делают их привлекательными для исследований. Основными задачами являются обеспечение долгосрочной механической стабильности внутри тела и предотвращение утечки электроэнергии через инкапсуляцию. По мере созревания технологий материалов и упаковки ТЕНГ могут стать основным источником питания для кардиостимуляторов следующего поколения.

Гибридные подходы: объединение аккумуляторов и сборщиков

Ни одна технология сбора энергии пока не может гарантировать бесперебойную мощность пеленга при любых условиях, с которыми может столкнуться пациент. Гибридные системы, которые соединяют небольшую первичную батарею с энергоуборочным комбайном и конденсатором хранения, обеспечивают надежность, необходимую для жизненно важных устройств, при этом все еще достигая значительного увеличения долговечности. Комбайнер заряжает конденсатор в периоды высокой доступности энергии, а конденсатор поставляет импульсы пеленга. Аккумулятор действует как резервная копия, обеспечивая мощность, когда собранная энергия недостаточна или когда пациенту требуется высокая скорость прокладки.

Гибридные архитектуры уже появляются в коммерческих устройствах. Medtronic и Boston Scientific представили кардиостимуляторы с беспроводной телеметрией, использующие сбор энергии из жезла допроса для подзарядки внутреннего конденсатора, уменьшающие разряд батареи во время сеансов программирования. Более продвинутые прототипы интегрируют пьезоэлектрический или термоэлектрический комбайн непосредственно в корпус кардиостимулятора, с твердотельной резервной батареей, рассчитанной на десять лет работы. Если комбайн работает так, как ожидалось, батарея никогда не может быть значительно истощена, эффективно продлевая срок службы устройства до двадцати лет и более.

Сочетание сбора энергии с маломощной электроникой и эффективными алгоритмами прокладки создает добродетельный цикл. По мере того, как микроконтроллеры и специализированные интегральные схемы (ASIC) становятся более энергоэффективными, минимальная энергия, необходимая для прокладки прокладки, делает сборку более жизнеспособной. Некоторые современные кардиостимуляторы потребляют всего 2 микроватта в режиме ожидания, при этом импульсы прокладки требуют от 5 до 20 микроджоулей. На этих уровнях мощности хорошо спроектированная гибридная система может достичь почти вечной работы.

Клиническое воздействие и польза для пациента

Конечная мера любой новой технологии питания заключается в том, как она влияет на результаты пациентов. Расширенное время автономной работы и потенциал для самоуправляемых устройств напрямую приводят к меньшему количеству хирургических вмешательств, снижению частоты осложнений и снижению затрат на здравоохранение. Каждая процедура замены кардиостимулятора несет от 1 до 3 процентов риска серьезных осложнений, включая карманную инфекцию, повреждение свинца и гематому. Устранение даже одной замены в течение жизни пациента имеет значительную клиническую ценность.

Уборка энергии также открывает двери для небольших кардиостимуляторов. Беспроводные кардиостимуляторы, которые имплантируются непосредственно в правый желудочек через катетер, полностью устраняют карман и свинец, но их размер батареи ограничивает их сроком службы примерно от восьми до двенадцати лет. Беспроводной кардиостимулятор, оснащенный миниатюрным энергосборником, может достичь сопоставимой долговечности в гораздо меньшем объеме, что делает процедуру менее инвазивной и подходящей для более широкого круга пациентов.

Педиатрические пациенты непропорционально выигрывают от длительного использования кардиостимуляторов. Детям, получающим кардиостимуляторы, могут потребоваться десятки операций по замене в течение всей жизни, каждая из которых имеет возрастающие технические трудности из-за рубцовой ткани и измененной анатомии. Самоподдерживающаяся система питания, которая длится двадцать лет или более, преобразует управление детской блокадой сердца, уменьшая совокупное бремя процедур и позволяя детям расти с меньшим количеством прерываний в их жизни.

Проблемы и текущие исследования

Несмотря на значительный прогресс в технологиях производства аккумуляторов и сбора урожая, остаются некоторые препятствия, прежде чем эти инновации станут стандартными в клинической практике. Безопасность и биосовместимость имеют первостепенное значение. Любой новый материал или устройство, которое контактирует с тканями организма, должны пройти тщательное тестирование на цитотоксичность, воспаление и долгосрочную стабильность. Регуляторный путь для имплантируемых устройств является требовательным, при этом Управление по контролю за продуктами и лекарствами США и Европейское агентство по лекарственным средствам требуют обширных доклинических и клинических данных до утверждения.

Электроника управления мощностью также представляет собой проблему. Выход из энергоуборочных комбайнов часто переменный и низковольтный, требующий эффективных цепей кондиционирования мощности, которые повышают напряжение до уровней, используемых электроникой кардиостимулятора. Эти схемы сами должны потреблять очень мало энергии, часто менее одного микроватта, и они должны надежно работать в течение десятилетий. Исследователи разрабатывают специализированные интегральные схемы, которые интегрируют исправление, повышение и управление хранением на одном чипе, достигая конечной эффективности выше 80 процентов.

Еще одной областью активных исследований является инкапсуляция устройств. Внутреннее пространство человеческого тела представляет собой суровую среду для электроники, с высокой влажностью, коррозионными ионами и иммунными клетками, которые атакуют чужеродные материалы. Герметическая упаковка с использованием титана или керамики может защитить электронику, но добавляет объем и жесткость. Гибкая инкапсуляция с использованием многослойных полимерных пленок или атомарных слоев-депозитных неорганических покрытий предлагает компромисс, обеспечивая отличные барьерные свойства, позволяя устройству соответствовать ткани.

Беспроводная передача мощности является дополнительным подходом, который также быстро продвигается. Хотя беспроводная зарядка не является строгой забором энергии, она может продлить срок службы батареи кардиостимулятора, позволяя периодически перезаряжаться через кожу. Системы, работающие на частотах от 100 кГц до 13,56 МГц, могут передавать несколько милливатт на приемник глубоко в грудной клетке с эффективностью выше 50 процентов. В сочетании с небольшой перезаряжаемой батареей беспроводная зарядка может эффективно устранить необходимость первичной замены батареи, хотя она требует соблюдения пациентом регулярных сеансов зарядки.

Будущий прогноз

Конвергенция твердотельных батарей, электроники для сбора энергии и электроники сверхнизкой мощности создает будущее, в котором кардиостимуляторы не только более долговечны, но и умнее и менее инвазивны. В течение следующего десятилетия ожидается, что гибридные системы, которые сочетают в себе небольшую твердотельную резервную батарею с пьезоэлектрическим или термоэлектрическим комбайном, достигнут рынка, предлагая срок службы устройств от пятнадцати до двадцати лет для большинства пациентов. В долгосрочной перспективе полностью автономные кардиостимуляторы, которые вообще не требуют батареи, могут стать реальностью для подмножества пациентов с благоприятной анатомией и уровнем активности.

Достижения в области машинного обучения и зондирования также влияют на конструкцию энергосистемы. Кардиостимуляторы следующего поколения будут включать датчики для гемодинамического мониторинга, прогнозирования аритмии и даже удаленной оценки состояния здоровья. Эти дополнительные функции требуют большей мощности, что, в свою очередь, стимулирует потребность в батареях более высокой емкости и более эффективных комбайнах. Взаимодействие между возможностями и мощностью будет продолжать формировать направление исследований, причем каждый прорыв в одной области позволит прогрессировать в другой.

Конечная цель - кардиостимулятор, который длится всю жизнь пациента, адаптируется к их меняющимся физиологическим потребностям и требует не больше обслуживания, чем рутинная проверка каждые несколько лет. С темпами инноваций в технологии аккумуляторов и сбора энергии эта цель ближе, чем когда-либо прежде.

Заключение

Технология аккумуляторов для пейсмоделистов и сбор энергии быстро развиваются, что обусловлено необходимостью сокращения хирургических вмешательств и улучшения качества жизни пациентов. Твердотельные батареи, передовые литиевые химики и биосовместимые суперконденсаторы обеспечивают существенное увеличение плотности энергии и безопасности. Пьезоэлектрические, термоэлектрические и биотопливные методы сбора обещают дополнить или даже заменить батареи, захватывая энергию из собственной физиологии организма. Гибридные подходы, которые сочетают в себе лучшее из обоих миров, обеспечивают надежность, необходимую для жизненно важных устройств, при максимизации долговечности. Поскольку эти технологии созревают и ориентируются на регуляторные пути, пациенты с сердечными заболеваниями могут рассчитывать на устройства, которые меньше, безопаснее и долговечнее, чем когда-либо прежде.

Для получения дополнительной информации о технологии кардиостимуляторов и имплантируемых энергетических системах посетите руководство клиники Майо по кардиостимуляторам , статью исследования природы по сбору пьезоэлектрической энергии для сердечных устройств и ScienceDirect обзор сбора термоэлектрической энергии .