«Бионические» аккумуляторы в теле человека будут работать 10 лет
Новый аккумулятор, созданный в научных лабораториях, является самым миниатюрным элементом питания, который способен работать внутри человеческого тела. Ожидается, что уже в самом ближайшем будущем такие аккумуляторы будут питать энергией «бионические нейроны», то есть автономные устройства, которые излучают электрические микроимпульсы, стимулируя поврежденные нервы или парализованные мускулы живого организма.
Батарея диаметром 2,9 мм и длиной 13 мм по размеру примерно соответствует карандашному острию. Малый размер батареи позволяет создавать миниатюрные устройства, которые легко имплантировать в человеческое тело без риска повредить сосуды или занести инфекцию. Перезарядка аккумулятора осуществляется дистанционно.
|
Если элемент питания так мал, то насколько хватит его заряда? Раньше эта проблема становилась непреодолимым препятствием в практическом использовании миниатюрных аккумуляторов. Однако новые аккумуляторы, которые недавно были представлены в США, способны работать при условии периодической перезарядки до 10 лет подряд. Эти устройства разработаны калифорнийской фирмой Quallion в тесном сотрудничестве с Аргонской Национальной Лабораторией (Аргон, штат Иллинойс, США) и университетом Висконсина. Секрет продолжительного жизненного цикла заключается в уникальном химическом составе электролита.
В процессе поиска подходящего электролита с нужными характеристиками исследователи экспериментировали с полимером полисилоксана. Эксперименты оказались успешными: полученная фаза на основе этого полимера характеризовалась чрезвычайно высокой ионной электропроводностью, которая приближалась к 10-3 S см-1 при комнатной температуре. Это рекордный показатель. Ни один твердый электролит в литий-ионном аккумуляторе никогда не демонстрировал подобную ионную электропроводность при комнатной температуре.
Аккумулятор, изготовленный с использованием полимера полисилоксана, можно перезаряжать на расстоянии ― достаточно поместить его в электрическое поле. Таким образом, в случае использования нового элемента питания в конструкции бионических нейронов, отпадает потребность проводить периодические хирургические операции по извлечению имплантанта из человеческого тела и перезарядке элементов питания.
Зависимость ионной электропроводности от температуры
Аккумуляторы фирмы Quallion, предназначенные для конструирования имплантантов, маркируются как серия «I». При массе элемента 200 мг эффективность заряда (емкость) составляет 3 мАч. Недостатком нового аккумулятора является высокая цена. В данный момент один элемент серии «I» стоит около $400, однако при массовом производстве стоимость должна значительно снизиться.
|
Разработкой прикладных устройств с использованием новых аккумуляторов занимается, в частности, американская фирма Advanced Bionics. Она известна главным образом как разработчик популярного «бионического уха» ― прибора Clarion CII Bionic Ear, который возвращает людям слух. Прибор улавливает все звуки, расшифровывает их и посылает напрямую в слуховой нерв с частотой миллион импульсов в секунду. «Бионическое ухо» вживляется в кожу на голове и обеспечивает очень высокую четкость звука.
Следующий коммерческий продукт фирмы Advanced Bionics, скорее всего, будет универсальным миниатюрным стимулятором, который можно имплантировать в любую часть человеческого тела и запрограммировать на определенное воздействие. Этот прибор на основе новых миниатюрных аккумуляторов фирмы Quallion носит кодовое название Bion, и пока что находится в стадии разработки. Предполагается, что самыми очевидными сферами его применения будут лечение больных с недержанием мочи и парализованными легкими. В обоих случаях пациенты нуждаются в постоянном и довольно примитивном электрическом стимулировании определенных мышц, утративших работоспособность.
 | |
| Bion: внешний вид и размер |
Перезарядка осуществляется просто. Один вывод батареи встроен в само устройство, которое находится внутри тела, а второй вывод можно поместить в кресло или кушетку во врачебном кабинете. Достаточно пациенту посидеть 15 минут в таком кресле, и он уже полностью заряжен. Процедура перезарядки аккумулятора проходит незаметно для пациента.
Bion: схема устройства
Как часто нужно перезаряжать аккумулятор ― это зависит от интенсивности его работы в организме человека. В целом интервалы перезарядки варьируются от недели до месяца. Вместо плановой перезарядки можно установить Bion в режим оповещения, когда он сам будет сигнализировать забывчивым пациентам об упавшем напряжении.
|
Электроимпульсы давно используются в медицине для мышечной стимуляции, это стандартная процедура физиотерапии. Самым распространенным методом является размещение электродов на поверхности кожи. Недостатки подобного решения очевидны: такие импульсы могут быть болезненными, а точное стимулирование определенных участков мышечной ткани отнюдь не гарантировано.
Имплантанты сегодня используются гораздо реже, потому что они питаются от больших батарей относительно малой емкости, да к тому же не перезаряжаемых. Фактически, только некоторые виды подобных имплантантов нашли широкое применение, например, кардиостимуляторы. Однако даже самые лучшие из них могут работать без перезарядки всего три-пять дней.
Бионический нейрон настолько мал, что без труда размещается в определенном месте возле нужной мышцы. Он работает по принципу мимикрии, подражая импульсам из мозга и, таким образом стимулирует сокращение мышц. Методом электростимуляции бионический нейрон возвращает к жизни парализованные мускулы. Он может выполнять и другие функции, если его запрограммировать на более сложное поведение.
Сейчас ведутся научные исследования, которые ставят целью поставить имплантант под контроль, чтобы постоянно управлять его характеристиками с компьютерного пульта и одновременно снабжать энергией. Такие опыты ставят ученые из биомедицинского инженерного департамента Университета Южной Калифорнии.
Ожидается, что прибор получит одобрение FDA на использование в медицинских целях уже в 2004 году.
Короткая ссылка на материал: //cnews.ru/link/a704
