Эта история является частью серии о современном прогрессе в регенеративной медицине. В этой статье обсуждаются достижения в области биоэлектронных устройств.
В 1999 году я определил регенеративную медицину как совокупность вмешательств, которые восстанавливают нормальную функцию тканей и органов, поврежденных болезнью, травмой или изношенных временем. Я включаю полный спектр химических, генных и белковых лекарств, клеточной терапии и биомеханических вмешательств, которые достигают этой цели.
Новый имплантат, работающий не от батареек, а от ультразвукового электричества, может произвести революцию в нашем подходе к биоэлектронике. В Передовые материалыдоктор Янг-Джун Ким и коллеги из Университета Сунгюнкван в Корее описывают подход к имплантируемой биоэлектронике, который является полупостоянным, энергоэффективным и компактным — тройной результат, которого трудно достичь, несмотря на современные технологии.
Два наиболее частых вопроса о биоэлектронных устройствах: «Как они питаются?» и «удобно ли пользоваться?»
Для большинства биоэлектроники типичным источником питания являются батареи, требующие от пользователя носить с собой сумку или сумку, прикрепленную к системе, что увеличивает общий вес системы и утомляет пользователя.
Большинство этих устройств предназначены для ежедневного использования, и многие из них устанавливаются на пользователя полустационарно, то есть их невозможно снять без медицинской помощи. В зависимости от предполагаемого использования устройства некоторые биоэлектронные вмешательства могут быть небольшими, а другие могут быть гораздо более масштабными. Они должны быть удобными и функциональными.
В случае имплантатов устройство часто подсоединяется к аккумулятору, прикрепленному где-нибудь на груди. Хотя это и не агрессивно, это может стать навязчивым после месяцев или лет использования.
Ким и его коллеги избрали другой подход к конструкции с батарейным питанием, выбрав вместо этого ультразвуковую технологию. Обычно мы думаем об ультразвуке как о технологии визуализации, часто используемой для беременных женщин или людей с внутренними повреждениями. Однако Ким и его коллеги используют ультразвук другим способом: электрическим переносом при низкой силе тока.
Перенос электронов из одного материала в другой, когда два материала имеют разную полярность, известен как трибоэлектричество. Ультразвуковой датчик имеет отрицательный заряд, а имплантат – положительный. Когда ультразвуковой зонд приближается, происходит беспроводная передача энергии.
Имплантированное устройство Кима и его коллег называется трибоэлектрическим наногенератором, которое напрямую стимулирует нервы с помощью электричества низкой силы. Вместо того, чтобы получать энергию от аккумуляторной батареи, компактное ультразвуковое устройство передает энергию низкой интенсивности через внекожную часть имплантата.
дизайн электроцевтики. Ким и др.
Этот тип системы часто используется для органной терапии, стимулируя отказавший орган для улучшения его функции. Например, Ким и его коллеги имплантировали трибоэлектрическую систему живой модели крысы с гиперактивным мочевым пузырем, чтобы протестировать свое устройство.
эксперимент с системой нервной стимуляции, имплантированной крысе. Ким и др.
Они обнаружили, что по сравнению с неактивным контрольным имплантатом аналогичного размера и местоположения устройство снизило регулярность мочеиспускания и улучшило емкость мочевого пузыря, не влияя при этом на здоровую функцию мочевого пузыря.
совокупный объем мочеиспускания, собранный до (черный) и после (красный) стимуляции (синие кружки: частота мочеиспускания).Kim et al.
Хотя систему еще предстоит применить на людях, такие исследования будут проводиться по мере развития этой технологии.
Ультразвуковое электричество имеет несколько заметных преимуществ перед батареями. Примечательно, что ультразвуковые волны могут проникать сквозь такие материалы, как металлы, уменьшая размер устройства и дискомфорт для пациентов. Кроме того, сокращение потребности в батареях создает более энергоэффективное и экологически чистое устройство. Наконец, низкая интенсивность электрического тока ультразвука гораздо меньше повреждает тело и нервы, чем системы более высокой интенсивности, встречающиеся в других конструкциях.
Хотя, на мой взгляд, более интересным выводом является сама трибоэлектрическая передача энергии. Мощность является ограничивающим фактором в большинстве эргономичных биоэлектронных конструкций. При использовании трибоэлектричества необходимость в конструкции с батарейным питанием полностью устраняется.
Недостаток заключается в том, что для активации имплантата необходимо каждый раз использовать ультразвуковой датчик. Это ограничивает текущую жизнеспособность системы для более повседневного использования. Хотя применение трибоэлектрических конструкций с использованием ультразвука может быть ограничено, поскольку портативные ультразвуковые устройства также продолжают развиваться, идея и проект, по крайней мере, удивительны.
Я не удивлюсь, если в ближайшие месяцы и годы подобная технология будет применена и в более широкой области регенеративной медицины, например, в протезировании, введении инсулина, двигательной реабилитации и так далее. Я с нетерпением ожидаю таких достижений.
Чтобы прочитать больше об этой серии, посетите www.williamhaseltine.com
Следуй за мной Твиттер или LinkedIn.
Я учёный, бизнесмен, писатель и филантроп. В течение почти двух десятилетий я был профессором Гарвардской медицинской школы и Гарвардской школы общественного здравоохранения, где основал два научно-исследовательских отдела: отдел биохимической фармакологии и отдел ретровирусологии человека. Пожалуй, наиболее известен я благодаря своим работам в области рака, ВИЧ/СПИДа, геномики и, сегодня, COVID-19. Моя автобиография, Моя пожизненная борьба с болезнями, публикуется в октябре этого года. Я являюсь председателем и президентом ACCESS Health International, некоммерческой организации, которую я основал, которая способствует инновационным решениям самых серьезных проблем здравоохранения наших дней. Каждая из моих статей на Forbes.com будет посвящена конкретной проблеме здравоохранения и предложит лучшие практики и инновационные решения для преодоления этих проблем на благо всех.
Читать большеЧитать меньше
2024-01-23 17:31:16
1706032927
#Имплантаты #без #батареек #усиление #биоэлектроники #помощью #ультразвука