Cool Idea
Ученые Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе совместно с коллегами из Университета Коннектикута изобрели суперконденсатор, который позволит сделать кардиостимуляторы и другое имплантируемое медицинское оборудование более безопасным и долговечным.
Изобретение претендует на то, чтобы стать новым электродом для кардиостимуляции, который позволит прибору работать без подзарядки на протяжении практически всей человеческой жизни.
Как известно, кардиостимуляторы помогают регулировать работу сердечного ритма. Как и другие медицинские имплантаты, такие приборы позволяют спасать огромное количество человеческих жизней. Однако по настоящий день все устройства подобного типа работают от традиционных батарей. Это значит, что рано или поздно устройства выходят из строя и требуют замены. Кроме того, существуют риски, связанные с наличием в батареях токсичных материалов.
Безопасная и эффективная батарейка
“Биологический суперконденсатор”, как назвали изобретение ученые, совершенно безопасен для человека и представляет собой новаторскую биофильную (дружественную химическим элементам в составе человеческой клетки) систему накопления энергии. Собственно энергию суперконденсатор получает через естественные электролиты (кровь и моча). Непосредственно образование электрической энергии происходит в специальном элементе прибора, так называемом “сборщике энергии” или генераторе, который преобразуют ее из тепловой и механической энергии. Таким образом, тепло и двигательная активность человека становятся естественной “батарейкой” для имплантатов. Принцип действия похож на работу часов с автоматическим подзаводом, которые реагируют на движения и жестикуляцию человека.
Состав суперконденсатора — это слои графена (наноматериал, модификация углерода) и модифицированного человеческого белка. Последний выполняет функцию электрода, благодаря которому электроэнергия поступает к суперконденсатору от генератора.
Современные кардиостимуляторы диаметром примерно 30 мм и толщиной около 6 — 8 миллиметров. При этом, половину этого пространства занимает батарейка. Размер нового суперконденсатора всего 1 микрометр или 0,001 мм! Это значительно тоньше, чем самый тонкий человеческий волос. При том, что он способен накапливать больший электрический заряд, чем стандартные литиевые батарейки, которые обычно используются в кардиостимуляторах. Еще одно преимущество в том, что прибор практически бесконечно остается в отличной рабочей форме, благодаря повышенной мобильности, ведь он может гнуться и скручиваться без каких-либо механических повреждений.
Авторы и создатели
Работу над проектом в Калифорнийском университете Лос-Анджелеса возглавляет профессор Ричард Канер (Richard Kaner) — выдающийся химик, биохимик, инженер и автор множества научных публикаций. Научную группу в Университете Коннектикута курирует не менее заслуженный ученый, профессор химии и цитобиологии Джеймс Руслинг (James Rusling). Но, пожалуй, главное действующее лицо в этой команде — обыкновенный студент магистратуры Университета Коннектикута — Ислам Моса (Islam Mosa). Именно он стал автором первоначальной идеи, которая легла в основу последующих исследований.
Ислам Моса, автор идеи
В отличие от батареек, в которых для генерации энергии происходят химические реакции и содержатся токсичные реагенты, новый биологический суперконденсатор способен использовать энергию заряженных частиц, присутствующих в крови человека
Коллега Ислама Мосы из Калифорнийского университета и соавтор открытия Махер Эль-Кади (Maher El-Kady) подчеркивает, что совместная работа генератора и суперконденсатора позволяет забыть про необходимость замены ранее имплантированных медицинских приборов. Отныне их работоспособность равна продолжительности человеческой жизни. Также он обращает внимание, что введение в практику нового изобретения будет выгодно еще и с экономической точки зрения, поскольку суперконденсатор может более эффективно генерить, накапливать и расходовать энергию, в сравнении с возможностями современных конденсаторов.
Несмотря на то, что суперконденсатор еще широко не используется в медицинской практике, исследования показывают, что он к этому готов.
В заключении надо сказать, что проблема заряжающих устройств в имплантируемых медицинских приборах давно находится в зоне особого внимания мирового ученого сообщества. Так, в 2014 году команда ученых из Стэнфордского университета (США) под руководством профессора Ады Пун (Ada Poon) разработала безопасную технологию внешней беспроводной зарядки медицинских имплантатов. Это открытие позволило передавать энергию приборам, установленным для стимуляции сердца или мозга за пределами диапазона действия NFC.
И вот, уже новое открытие. Еще более потрясающее не только с точки зрения, решения проблемы имплантатов, но ввиду перспектив, которые оно открывает. По словам профессора Канера, платформа этого изобретения даёт старт целому поколению новых медицинских приборов, которые будут способны влиять на скорость роста костей, стимулировать процессы исцеления и работу головного мозга.