Piezoelektryczny materiał do zasilania implantów medycznych

pacemaker

Naukowcy z University of Illinois w Stanach Zjednoczonych zaprezentowali urządzenie, które wykorzystuje ruch narządów wewnętrznych do zasilania rozruszników serca lub innych wszczepów potrzebujących prądu. Niewielki pasek, zawierający ceramiczny materiał piezoelektryczny – cyrkonian-tytanian ołowiu (PZT) generuje prąd elektryczny pod wpływem zewnętrznych naprężeń mechanicznych (np. rozciągania i ściskania).

Zjawisko piezoelektryczne wzięło nazwę od greckiego słowa „piezo”, które oznacza ciśnienie. Efekt jako pierwsi odkryli bracia Curie, którzy zaobserwowali, że na powierzchni kryształów kwarcu poddanych działaniu zewnętrznych naprężeń mechanicznych, indukowały się ładunki elektryczne. Jak wykazały późniejsze analizy, ich wartość jest wprost proporcjonalna do wartości naprężeń. Proces przebiega również odwrotnie – materiał ulega deformacji pod wpływem działania zewnętrznego pola elektrycznego. Mechanizm wytwarzania energii elektrycznej na skutek zmiany wymiarów niejednokrotnie był przedmiotem badań naukowców. Pierwsze, praktyczne zastosowanie materiały piezoelektryczne znalazły w 1917 roku w łodziach podwodnych jako przetworniki do generowana w wodzie fal ultradźwiękowych. Obecnie stosuje się je m.in. w budowie czujników, mikrofonów czy sonarów. Od kilku lat prowadzone są badania nad wykorzystaniem piezoelektryków w skali masowej jako generatorów prądu.

Inżynierowie z uczelni w Urbana-Champaign zastosowali ceramiczny cyrkonian – tytanian ołowiu (PZT), który jest roztworem stałym PbZrO3 i PbTiO3 – (Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O3), występującym w postaci białego proszku. Nie była to pierwsza próba użycia PZT jako zasilacza. W poprzednich latach pojawiały się już artykuły i prezentacje ceramicznych generatorów piezoelektrycznych czerpiących z naturalnych ruchów ciała. Jak podkreślają autorzy opisywanej publikacji, model przez nich stworzony jest kilkakrotnie bardziej wydajny pod względem natężenia uzyskiwanego prądu oraz bezpieczniejszy dla organizmu (mimo użycia ołowiu) od poprzednich konstrukcji tego typu. Oprócz tego, zanim rozpoczęto testy wewnątrz organizmów, w celu potwierdzenia biozgodności wyhodowano na generatorze szczurze komórki mięśni gładkich.

Nanowstążki piezoelektrycznego materiału zostały osadzone w syntetycznej, elastycznej, biozgodnej matrycy polimerowej. Miało to zapobiec zniszczeniu urządzenia przez organizm, a w rezultacie przedostania się szkodliwych czynników do krwioobiegu pacjenta. Przyrząd został dodatkowo wyposażony w niewielki prostownik i akumulator. Według zapewnień badaczy, aparat wytrzymuje ponad 20 milionów cykli rozciągania-ściskania oraz wytwarza 0,2 µW/cm2. Naukowcy potwierdzili, że to wystarczająca moc dla dostępnych obecnie rozruszników serca. W przypadku większego zapotrzebowania istnieje możliwość osadzenia większej liczby nanowstążek PZT.

Kwestią sporną było miejsce umieszczenia urządzenia. Zespół za pomocą szwów przymocował prototypy do serca, przepony, płuc zwierząt (krów, owiec i świń). Badacze stwierdzili, że ruch narządów nie był zakłócany, a materiał generował napięcie zarówno przy otwartej i zamkniętej klatce piersiowej.

Mimo, iż badano zwierzęta, które mają narządy porównywalnej wielkości co ludzie, to istnieje małe prawdopodobieństwo na szybkie zastosowanie kliniczne. Naukowcy muszą dopracować sposób mniej inwazyjnej instalacji. Problem stanowi także ołów (nie zważając na szczelne zamknięcie w polimerze), którego obecność w ciele, a tym bardziej obok serca jest niepożądana. Nadzieję niosą piezoelektryki nowej generacji o wydajności PZT, lecz nie zawierające Pb. Zastosowanie tej techniki nie ogranicza się wyłącznie do medycyny, podobne generatory mogłyby zasilać również elektroniczne gadżety.

Źródło:
[1] C. Dagdeviren et al., “Conformal piezoelectric energy harvesting and storage from motions of the heart, lung, and diaphragm,” PNAS, doi/10.1073/pnas.1317233111, 2014.
[2] http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1317233111 [21.01.2014]
[3] http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/38918/title/Next-Generation–Capturing-the-Body-s-Energy/ [21.01.2014]
[4] http://news.cnet.com/8301-11386_3-57617483-76/nanoribbons-let-beating-hearts-power-their-own-pacemakers/ [21.01.2014]
[5] http://www.newscientist.com/article/dn24906-bendy-implant-harnesses-the-power-of-your-beating-heart.html [21.01.2014]
[6] Pacemaker By Lucien Monfils (Own work) [GFDL CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons

Dodaj pierwszy komentarz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *