Інженери виростили людську серцеву тканину навколо сітки мініатюрних генераторів, які виробляють електричні імпульси під час кожного скорочення. У майбутньому ця технологія може допомогти створювати медичні імпланти, здатні отримувати енергію від рухів організму без традиційних батарей. Однак поки що розробку випробували лише в лабораторії.
Дослідження провела команда з Університету Массачусетсу в Амгерсті за участю науковців з інших установ. Результати опублікували в журналі Science Advances.
Як серцева тканина генерує електрику
Основою пристрою стала гнучка полімерна сітка розміром приблизно 7 × 8 мм, близько 78% площі якої займають отвори. На тонких стрічках розмістили 64 мініатюрні елементи з цирконат-титанату свинцю (PZT) — керамічного матеріалу, який генерує електричну напругу під час деформації.
Дослідники перетворили людські стовбурові клітини на клітини серцевого м’яза та розмістили їх на сітці. Протягом наступних днів клітини сформували тонкий шар тканини, що охопив полімерні стрічки й заповнив проміжки між ними.
Коли тканина почала самостійно скорочуватися приблизно раз на дві-три секунди, генератори перетворювали механічні рухи на електричні імпульси. Їхню появу дослідники пов’язали саме з деформацією PZT-елементів, а не з електричною активністю клітин чи змінами хімічного складу рідини.
Перший варіант пристрою виробляв близько 9 мілівольтів за одне скорочення. Після збільшення товщини керамічних елементів і полімерного покриття в потрібних ділянках оцінена вихідна напруга зросла до 450–750 мілівольтів. При цьому серцева тканина продовжувала нормально скорочуватися.
Чи зможе технологія замінити батареї в імплантах
За розрахунками команди, розподілення генераторів між клітинами дає змогу отримувати понад удесятеро більше енергії на одиницю об’єму пристрою порівняно з деякими попередніми системами збору енергії. Водночас енергія одного скорочення залишається дуже малою — приблизно 7 трильйонних джоуля.
У перспективі подібні пристрої могли б живити окремі компоненти кардіостимуляторів, імплантів для стимуляції мозку та інших медичних систем. Крім того, регулярні електричні імпульси можна потенційно використовувати для відстеження серцевих скорочень.
Головна перевага підходу полягає в тому, що генератори розміщені безпосередньо всередині тканини, а не в окремому громіздкому корпусі. Це може зменшити розміри пристроїв, хоча сумісність матеріалів із живим організмом ще потрібно перевірити.
Наразі технологія має суттєві обмеження. Досліди проводили лише з тонким шаром тканини в лабораторному посуді. Пристрій не імплантували тваринам чи людям, а вироблену електроенергію не використовували для живлення реального медичного приладу.
Наступним етапом має стати перевірка того, як сітка працюватиме в товстішій тканині та всередині організму. Лише після таких випробувань можна буде оцінити, чи здатна технологія справді зменшити залежність медичних імплантів від батарей.