Аннотация:
Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте разработали ультратонкое гибкое устройство с электронной сеткой, которое интегрируется с живыми клетками сердечной мышцы человека и преобразует механическое движение, создаваемое сокращением клеток, в электрическую энергию. Ожидается, что это новое устройство, получившее название «Биогибридный сборщик сеток», обеспечит новый метод питания маломощных медицинских имплантируемых устройств, таких как кардиостимуляторы, оборудование для мониторинга сердца и нейростимуляторы, уменьшив размер, вес и проблемы хирургической замены, вызванные традиционными батареями.
Результат исследования был опубликован в журнале Science Advances 7 октября 2026 года и недавно привлек внимание технологических СМИ. Исследователи говорят, что эффективная плотность энергии новой системы более чем в десять раз выше, чем у традиционных устройств централизованного сбора энергии. Однако текущие результаты все еще находятся на стадии лабораторных исследований и не были проверены на живых животных или людях, а также не было доказано, что они независимо управляют настоящим медицинским имплантатом.
Современное медицинское электронное оборудование играет все более важную роль в улучшении качества жизни пациентов. Кохлеарные имплантаты, нейростимуляторы, сердечные имплантаты и некоторые устройства для лечения диабета требуют постоянного и стабильного источника питания. Носимые устройства, такие как умные часы и умные кольца, также работают от батарей. Хотя батареи являются зрелыми и надежными, существует противоречие между размером, весом и емкостью хранения энергии: уменьшение размера батареи может сделать устройство тоньше и легче, но запасаемая энергия также уменьшится.
Проблемы с аккумуляторами особенно актуальны для медицинских устройств, имплантированных в организм человека. После того, как у обычных умных часов разрядится заряд, их можно возобновить, просто поместив их на зарядное устройство; однако, если батарею некоторых медицинских имплантатов необходимо заменить, пациенту, возможно, придется снова пройти операцию, что приведет к дополнительным расходам и медицинским рискам. Поэтому ученые изучают способы использования собственной энергии организма для питания электронных устройств.
В человеческом теле имеется множество источников энергии. Например, разницу температур между телом и внешним миром можно использовать для выработки термоэлектричества, а сокращение мышц, сердцебиение и дыхательные движения — для получения механической энергии. Пьезоэлектрические материалы могут преобразовывать механическую деформацию, возникающую при их сжатии или растяжении, в электрические заряды и поэтому считаются потенциальным технологическим направлением для питания имплантируемых электронных устройств.
Однако традиционные пьезоэлектрические устройства сбора энергии обычно устанавливаются как автономные устройства на поверхности тканей. Могут существовать значительные механические различия между такими централизованными конструкциями и человеческими тканями: электроника относительно жесткая, тогда как биологические ткани, такие как сердечная мышца, мягкие и постоянно находятся в движении. Механическое несоответствие между ними может не только ограничить эффективность сбора энергии, но и увеличить сложность конструкции, когда устройство находится в длительном контакте с тканью.
Поэтому исследовательская группа из Массачусетского университета изменила идею дизайна. Вместо того, чтобы фиксировать большое устройство для генерации энергии на поверхности ткани, многие микроблоки для генерации энергии рассредоточены и расположены в виде гибкой сетчатой структуры, что позволяет живым клеткам расти внутри и вокруг электронного устройства, так что они образуют более тесную структурную комбинацию.
Исследователи сначала подготовили большое количество крошечных ленточных структур из цирконата-титаната свинца (ЦТС). Это пьезоэлектрический керамический материал, обычно используемый в датчиках и исполнительных механизмах, который генерирует электрический заряд при механической деформации. Затем команда интегрировала эти крошечные пьезоэлектрические блоки в слой ультратонкой гибкой полимерной сетки, чтобы сформировать взаимосвязанную сеть сбора энергии.
В отличие от сплошной закрытой подложки, решетчатая структура оставляет много открытого пространства, позволяя живым клеткам проходить и расти внутри устройства. Исследователи поместили на эту платформу человеческие кардиомиоциты. По мере постепенного роста ячеек кластеры ячеек образовывали тесную комбинацию со структурой сетки. Полученная биогибридная структура одновременно движется вместе с тканью сердечной мышцы и деформирует встроенный пьезоэлектрический материал по мере сокращения клеток.
Когда кардиомиоциты сокращаются, ленточные структуры ЦТС, распределенные по сетке, сжимаются или растягиваются, тем самым генерируя электрическую энергию за счет пьезоэлектрического эффекта. Поскольку энергогенерирующие единицы больше не концентрируются в одном месте на поверхности ткани, а распределяются по всей сети, система способна собирать механическую энергию из более широкой области контакта между клетками и электронными структурами.
Исследовательская группа считает, что эта распределенная архитектура является самой важной инновацией этой технологии. Традиционные устройства обычно полагаются на относительно концентрированный коллектор энергии, в то время как новые решения интегрируют множество микроблоков в структуры биологических тканей, позволяя электронным устройствам приближаться к клеткам, сохраняя при этом достаточную гибкость.
Результаты экспериментов показывают, что эффективная плотность энергии новой системы в десять раз превышает плотность существующих решений по централизованному сбору энергии. Ключевым показателем здесь является эффективная плотность энергии, то есть уровень энергии, который можно собрать в эффективном объеме, занимаемом устройством. Исследователи полагают, что это улучшение происходит за счет более тесной механической связи между несколькими микроэнергетическими блоками и клеточной тканью, а не просто за счет увеличения размера устройства.
Еще одним потенциальным преимуществом является возможность расширения структуры. Поскольку сетчатая пленка очень легкая и тонкая, исследователи предложили складывать несколько слоев сетки, чтобы увеличить общее количество блоков генерации энергии, тем самым увеличивая общую мощность выработки электроэнергии, пытаясь при этом избежать значительного увеличения объема устройства. В будущем инженеры смогут регулировать количество слоев сети и распределение энергоблоков в зависимости от потребностей в энергопотреблении различных имплантированных устройств.
Самым непосредственным потенциальным применением этой технологии является обеспечение вспомогательным питанием кардиостимуляторов, систем мониторинга сердца, нейростимуляторов и других маломощных биоэлектронных устройств. Возможность непрерывно и надежно собирать энергию от естественного движения сердца или других тканей даст возможность продлить время работы имплантированных устройств, снизить частоту замены батарей и уменьшить необходимость повторной операции пациентов.
Эта технология также может дать новые идеи дизайна носимых датчиков. Будущие гибкие электронные устройства могут снизить зависимость от традиционных батарей, если они смогут более тесно интегрироваться с тканями человека и использовать движения тела для получения части своей энергии. Однако эти приложения все еще представляют собой исследовательские концепции и еще не достигли той стадии, когда их можно напрямую использовать в клинических продуктах.
Яо Цзюнь, старший автор исследовательской работы и доцент Инженерной школы Массачусетского университета в Амхерсте, сказал, что ткани человека могут отторгать электронные устройства, которые больше по размеру и имеют несоответствующие механические свойства. Ожидается, что приближение устройства к клеточному масштабу улучшит его совместимость с биологическими тканями. Он считает, что потенциал таких систем заключается в обеспечении более тесной биоэлектронной интеграции в более мелких структурах.
Однако с помощью этой технологии еще предстоит решить несколько ключевых проблем. Во-первых, нынешнее исследование проводилось только на выращенной в лаборатории ткани сердечной мышцы, и исследователи не доказали, что оно может работать в течение длительного времени в живой среде. Во-вторых, фактическая выходная мощность, может ли она стабильно соответствовать требованиям энергопотребления различных имплантированных устройств, а также то, приведет ли длительное механическое движение к усталости материала или снижению производительности, - все это требует дальнейшего тестирования.
Безопасность материалов также является важной задачей. Цирконат-титанат свинца, используемый в устройстве, содержит свинец. Если его применяют внутри организма человека, необходимо обеспечить надежную капсулирование материала во избежание утечки вредных веществ и воздействия на окружающие ткани. Исследователям также необходимо будет оценить долгосрочную биосовместимость, иммунный ответ, долговечность инкапсуляции и стабильность устройства в реальных физиологических средах.
Поэтому так называемое увеличение плотности энергии более чем в десять раз не означает, что данное устройство сможет полностью заменить батарею имплантированного медицинского оборудования, равно как и не означает, что все сопутствующее оборудование сможет сразу работать без подзарядки. Относительное улучшение производительности в эксперименте является лишь предварительным доказательством потенциала технологии. Возможность его использования в клинических испытаниях также зависит от фактической выходной мощности, безопасности и долгосрочной надежности.
В целом, значимость этого исследования заключается в преобразовании сборщиков энергии из независимых устройств, прикрепленных к поверхности биологической ткани, в распределенную электронную сеть, которая может расти вместе с живыми клетками и перемещаться вместе с тканью. Он предоставляет новые инженерные решения для установления более тесной связи между энергией движения человека и электронными устройствами. Если последующие исследования смогут решить такие вопросы, как безопасность материалов, долговременная стабильность и реальные возможности источника питания, ожидается, что эта биогибридная решетка станет важным техническим направлением для следующего поколения маломощных медицинских имплантируемых устройств.
Комментарии