Ученые создали органические пленки для зарядки кардиостимуляторов

11:16, 29 февраля 2024

Новые материалы помогут решить проблему замены выработанных батарей

Полученные пленки имеют высокую биосовместимость. Фото: Андрей Ушаков.

Ученым УрФУ с коллегами из Университета Авейру удалось получить биосовместимые кристаллические пленки. Они обладают высокими пьезоэлектрическими свойствами — при механическом или тепловом воздействии генерируют электрический ток. Такая особенность будет полезна при создании элементов для инвазивных медицинских устройств, например, кардиостимуляторов. Подробную информацию о полученных пленках и новом методе их синтезирования ученые опубликовали в ACS Biomaterials Science & Engineering. Исследование выполнено при поддержке в рамках программы «Приоритет-2030».

«Нам удалось получить пленки из дифенилаланина, которые обладают высокими пьезоэлектрическими свойствами, сравнимыми с неорганическими аналогами. Под механическим или тепловым воздействием эти пленки вырабатывают электричество. Использование таких пленок будет особенно полезно для создания инвазивных кардиостимуляторов — устройств, которые находятся внутри организма человека. При движении или биении сердца эти пленки станут генерировать ток, который затем будет накапливаться в батареях кардиостимуляторов. Устройства накопления энергии на основе таких материалов могут решить проблему замены выработанных батарей, а также сократят количество хирургических вмешательств», — поясняет заведующий лабораторией функциональных наноматериалов и наноустройств НИИ физики и прикладной математики УрФУ Денис Аликин.

Дифенилаланин — это форма фенилаланина, одной из 20 аминокислот, из которой состоят белки и которая играет важную роль в биологических процессах. Это вещество является частью человеческого организма, а, соответственно, материалы из дифенилаланина обладают высокой совместимостью с живыми тканями организма.

«Неорганические аналоги несут в себе риски отторжения, поскольку такие материалы плохо интегрируются с биологическими объектами. Дифенилаланин как органический материал является биосовместимым, что является важным для создания как инвазивных, так и не инвазивных устройств. Например, датчики, созданные из органического материала, которые носит человек, будут вызывать меньшее раздражение, чем аналоги из неорганических полимеров», — объясняет Денис Аликин.

Ученые синтезировали пленки при помощи нового метода — кристаллизации из аморфной фазы под воздействием водяного пара. Традиционный способ получения дифенилаланина подразумевает кристаллизацию в водном растворе, что приводит к формированию структур с плохо контролируемой морфологией.

«Ранее наши коллеги обнаружили в дифенилаланине высокие пьезоэлектрические коэффициенты. Но проблема в том, что создание из этого вещества пленок с плоской морфологией затруднительно, так как в растворе дифенилаланин собирается в трубчатые структуры. И это вызывало большие затруднения, поскольку, когда речь идет о создании элементов для микроэлектроники, то поверхность пленки должна быть ровной, чтобы на нее можно было наносить электроды. Разработанный нами метод решил эту проблему — мы смогли добиться получения пленок с плоской морфологией. Также отметим, что наш метод является уникальным и ранее не был предложен другими научными группами», — добавляет Денис Аликин.

Справка

Практически все кардиостимуляторы имплантируются для лечения замедленного сердечного ритма, называемого брадикардией. В состоянии покоя сердце бьется 50–70 раз в минуту, а при стрессе или физических нагрузках частота сердечных сокращений увеличивается в два-три раза. Если сердце бьется слишком медленно, то мозг и тело не получают достаточного притока крови, что негативно сказывается на здоровье человека.

Инвазивные кардиостимуляторы отличаются от других типов устройств тем, что они имплантируются внутри тела пациента с помощью хирургической процедуры. Эти устройства обеспечивают высокую точность управления сердечным ритмом.

По данным Boston scientific, в 2022 году около 3 млн людей во всем мире использовало кардиостимуляторы для поддержания работы сердца. Кроме того, каждый год проводится около 600 тыс. операций, связанных с имплантацией кардиостимуляторов.

Сергей Лукьянченко