Южнокорейские инженеры разработали и испытали имплантируемое устройство, способное вырабатывать энергию с помощью ультразвука, испускаемого внешним источником. Ультразвук возбуждает колебания трибоэлеткрического генератора и обеспечивает выработку электрического тока на уровне 0,15 миллиампер, а его мощности достаточно для питания электрокардиостимулятора, рассказывают авторы статьи в Science. Разработчики провели успешные испытания устройства на модели, состоящей из тканей свиньи.

Имплантируемые устройства, такие как электрокардиостимуляторы, имеют много преимуществ перед внешним медицинским оборудованием. Вместе с этим они имеют и заметный недостаток, связанный со сроком работы аккумулятора. В случае с электрокардиостимуляторами обычно его хватает на несколько лет работы, после чего приходится проводить повторную операцию и заменять аппарат. Поскольку операции несут в себе потенциальную опасность, инженеры и ученые разрабатывают альтернативные способы снабжать имплантируемые устройства энергией, например, питать их от сокращения сердечной мышцы.

Инженеры под руководством Кима Сан У (Sang-Woo Kim) из Университета Сонгюнгван создали электрогенератор для имплантируемых устройств, вырабатывающий электричество из ультразвуковых колебаний, источник которых может находиться за пределами организма. Устройство имеет квадратную форму с шириной стороны четыре сантиметра. В его основе лежит трибоэлектрический генератор, преобразующий кинетическую энергию в электрический ток с помощью трибоэлектрического эффекта и электростатической индукции. Он состоит из тонкой перфторалкосиловой пленки толщиной 50 микрометров, медно-золотого рабочего электрода и медного контрольного электрода. Кроме того, в устройстве установлена плата управления и литий-ионный аккумулятор.

Схема устройства и симуляция колебаний трибоэлектрического слоя под действием ультразвука
Схема устройства и симуляция колебаний трибоэлектрического слоя под действием ультразвука

Принцип действия генератора основан на том, что ультразвук с частотой 20 килогерц вызывает большие и многомодовые колебания пленки. Во время колебаний пленка соприкасается с рабочим электродом, из-за чего на ней концентрируются отрицательные заряды, а на рабочем электроде положительные. Из-за этого между ним и контрольным электродом возникает разница потенциалов. При удалении пленки от рабочего электрода возникает обратный процесс и вырабатывается ток обратной величины.

Инженеры проверили работу генератора в разных модельных условиях, в том числе в тканях свиньи. Они располагали генераторы на глубине от пяти до десяти миллиметров от поверхности кожи, к которой прислоняли ультразвуковой излучатель. На глубине пять миллиметров генератор вырабатывал электричество с силой тока до 156 микроампер и напряжением до 2,4 вольта. На глубине сантиметр параметры снижались до 98 микроампер и 1,9 вольт. При этом авторы отмечают, что мощность выработки генератора составляет почти сто микроватт, чего достаточно для питания многих имплантируемых электрокардиостимуляторов и нейростимуляторов.