Группа исследователей из различных научных центров разработала абсолютно новую конструкцию эластичных аккумуляторных элементов, предназначенных для обеспечения электропитания разных кардиостимуляторов, медицинских имплантатов, интеллектуальных контактных линз и иных устройств интернета вещей (IoT), а также самой различной имплантируемой микроэлектроники. Данный гибкий элемент уже способен генерировать напряжение до 110 Вольт. Несмотря на то что этот показатель значительно ниже мощности электрического угря — живого прототипа, способного вырабатывать импульсы тока достаточной силы для летального воздействия на крупное животное, — указанных характеристик полностью достаточно для обеспечения функционирования широкого спектра электронных устройств.

“Тело угря способно мгновенно поляризовать и деполяризовать тысячи специальных клеток для того, чтобы произвести импульсы высокого напряжения” – рассказывает Макс Штейн (Max Shtein), профессор из Мичиганского университета, – “С технической точки зрения это захватывающая система, и нам не составило большого труда повторить ее при помощи обычных материалов”.

Новая батарея изготавливается при помощи технологии печати, использующей в качестве чернил растворы солей с ионами натрия и хлора. Печать осуществляется на поверхности тонких листов из материала на основе гидрогеля. На одном из листов материала чередуются области, покрытые соленой и чистой водой, а другие листы представляет собой ионные мембраны, позволяющие проникать сквозь себя только положительно заряженным ионам натрия или отрицательно заряженным ионам хлора.

При складывании таких листов материала положительные ионы начинают перемещаться через одну из мембран, а отрицательные – через другую, что приводит к возникновению электрического тока. Для увеличения эффективности батареи исследователи использовали технику оригами под названием сгиб Миуры (Miura fold). Такой метод используется сейчас для складывания солнечных батарей искусственных спутников в момент их транспортировки и запуска в космос, он позволяет достаточно просто и без проблем развернуть их в рабочее положение при выходе в космическое пространство.

Образ сгиба Миуры был создан на листе батареи при помощи луча лазерного света, после чего батарея была свернута, капли соленой и чистой воды соединились через соответствующие ионные мембраны и батарея начала вырабатывать электрический ток. Отметим, что данная технология находится только в самой ранней стадии ее реализации. И исследователям предстоит проделать еще массу работы для увеличения эффективности, срока работы и других параметров новых батарей.

Для любознательных

Идея действительно перспективная: такая батарея не просто питает устройство, а как бы «подстраивается» под тело — бывает биосовместимой, гибкой и даже способна сама понемногу подзаряжаться за счёт энергии организма (движения, биения сердца). Мы подобрали команды и проекты, которые сейчас этим занимаются — и в России, и за рубежом.

В России

• УрФУ (Уральский федеральный университет) совместно с Университетом Авейру (Португалия). Учёные создали биосовместимые плёнки из дифенилаланина (это форма аминокислоты, которая естественным образом присутствует в организме). У материала сильные пьезоэлектрические свойства: под механическим или тепловым воздействием (например, при движении или биении сердца) он вырабатывает ток. Эту энергию можно накапливать и использовать для питания кардиостимуляторов или других имплантатов. Цель — сократить число операций по замене истощившейся батареи. Как это работает: у материала сильные пьезоэлектрические свойства. Когда человек двигается или бьётся сердце, плёнка деформируется — и под этим механическим или тепловым воздействием вырабатывает электрический ток. Этот ток можно накапливать и использовать для питания кардиостимулятора или другого имплантата. Главная цель — сократить число операций по замене истощившейся батареи. Для синтеза плёнок исследователи применили новый метод — кристаллизацию из аморфной фазы под воздействием водяного пара.
• МФТИ. Магистрантка Екатерина Вахницкая разработала ферментный биотопливный элемент. Он преобразует химическую энергию в электрическую за счёт окисления глюкозы. Идея в том, чтобы интегрировать такой элемент прямо в стент при малоинвазивной процедуре — тогда устройство сможет долго питать имплантат (кардиостимулятор, биосенсор) без необходимости замены. Ключевые особенности:
  • Элемент компактен: состоит из двух микроэлектродов. На аноде фермент расщепляет глюкозу, высвобождая электроны и протоны. Протоны проходят через электролит к катоду, а электроны движутся по внешней цепи, создавая ток.
  • Важная инженерная задача — иммобилизация фермента. Разработчики создали композитный анод (с использованием многостенных углеродных нанотрубок), чтобы фермент не «растворялся» в жидкости, а стабильно работал на поверхности электрода.
  • Для малоинвазивной установки элемент интегрируют прямо в стент. Стент вводят в сосуд через прокол в вене или артерии, а в нужном месте он раздувается, фиксируя конструкцию.
  • Проект Екатерины Вахницкой («Разработка ферментного биотопливного элемента, интегрированного в стент для сосудистой хирургии») стал победителем конкурса «УМНИК» и получил грант. На данный момент команда провела успешные испытания на мозге крыс, зафиксировав удельную мощность до 51,8 мВт/см². Следующий шаг — тесты in vitro (в искусственных условиях), а в перспективе — клинические исследования. Авторы отмечают, что технология потенциально применима не только для кардиостимуляторов, но и для других имплантатов (нейростимуляторы, биосенсоры для пациентов с диабетом).
• Предприятие «Литий Элемент» (под управлением «РТ-Капитал», госкорпорация «Ростех»). Здесь идут разработки гибридных электрохимических систем для батарей кардиостимуляторов и дефибрилляторов. Акцент на сочетании разных материалов, чтобы добиться одновременно высокой мощности и энергоёмкости.

В мире

• Университет Берна (Швейцария). Исследователи из ARTORG Cardiovascular Engineering работали над системами, которые напрямую преобразуют механическую энергию движения сердца в электричество. В экспериментах использовали эластичные скелеты с пьезоэлектрическими композитами — они генерировали ток, достаточный для питания кардиостимулятора.
• Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе (UCLA). Команда под руководством Шаолея Ванга создала беспроводной микротубулярный кардиостимулятор. Ключевая особенность: он сам по себе не содержит традиционной батареи — энергию он получает извне (через радиочастотную связь от внешнего передатчика), а сама конструкция сделана гибкой и биосовместимой.
• Корейский институт науки и технологий (KIST). Разработали гибкий и биосовместимый ультразвуковой приёмник. Он может изгибаться и растягиваться вместе с телом, преобразуя ультразвуковые волны в электрическую энергию — перспективно для питания различных имплантируемых медицинских устройств.

Эти разработки решают одну из главных проблем имплантируемых устройств: необходимость периодической замены батареи, что связано с дополнительным хирургическим вмешательством. У каждого подхода свои нюансы: пьезоэлектрические плёнки «ловят» механику тела, биотопливные элементы используют химическое «топливо», а гибридные системы стремятся оптимизировать классические электрохимические реакции. Сейчас многие проекты находятся на стадии доклинических или лабораторных исследований, но прогресс в этой области действительно заметен.

Что общего в этих подходах?

Часто цель не только в том, чтобы сделать батарею более ёмкой или долговечной, но и в том, чтобы решить проблему замены: многие проекты нацелены на создание самоподзаряжающихся или даже полностью автономных (без батареи в классическом понимании) систем.

Конечно, у каждого направления свои вызовы: нужно обеспечить стабильную выработку энергии в условиях организма, гарантировать долгосрочную биосовместимость и безопасность, а также пройти долгий путь доклинических и клинических испытаний. Но прогресс в этой области идёт активно — и такие разработки действительно могут изменить подход к медицинским имплантатам в будущем.