Perangkat mengumpulkan energi detak jantung untuk memperpanjang masa pakai baterai alat pacu jantung

Para peneliti menciptakan “selongsong” yang dipasang di sekitar alat pacu jantung dan terbuat dari bahan piezoelektrik fleksibel yang memanfaatkan osilasi tekanan kardiovaskular di dalam jantung untuk mengisi ulang sebagian alat pacu jantung tanpa timbal. Proyek ini dipimpin bersama oleh Mohammad Malakooti, ​​asisten profesor teknik mesin di Universitas Washington. Eksperimen awal menunjukkan bahwa perangkat tersebut dapat menyediakan sekitar 10% daya yang dibutuhkan untuk mondar-mandir.

Saat tim interdisipliner dari ME, bioengineering, dan Fakultas Kedokteran UW melanjutkan pekerjaan mereka, Malakooti berbagi bagaimana perangkat ini dibuat dan potensinya untuk meningkatkan masa pakai baterai alat pacu jantung tanpa timbal. Pekerjaan itu juga diterbitkan di dalam Sirkulasi.

Ceritakan kepada kami tentang proyek ini dan temuan awalnya

Perangkat ini dirancang untuk mengelilingi alat pacu jantung tanpa timbal, seperti Medtronic Micra, yang terletak di ventrikel kanan jantung. Tantangan yang dihadapi alat pacu jantung tanpa timbal adalah baterainya habis dan sulit diambil kembali. Perangkat kedua sering kali ditanamkan tanpa melepas perangkat pertama.

Inovasi kami melibatkan penggunaan pengumpulan energi untuk memperpanjang masa pakai baterai alat pacu jantung tanpa timbal. Kami melakukan ini dengan membuat selongsong alat pacu jantung menggunakan bahan piezoelektrik, yang menghasilkan listrik ketika tekanan mekanis diterapkan. Cara kami memasukkan bahan piezoelektrik ke dalam jantung adalah hal baru.

Sebelumnya, para peneliti menempatkan film piezoelektrik fleksibel pada permukaan luar jantung untuk memanen energi mekanik dari detak jantung untuk alat pacu jantung transvenous. Hal ini tidak praktis dan dapat menyebabkan komplikasi karena memerlukan operasi jantung terbuka tambahan, yang mana ahli jantung dan pasien ingin menghindarinya.

Dalam percobaan kami, kami menempatkan alat pacu jantung dengan selongsongnya di dalam mesin yang mensimulasikan tekanan darah di ventrikel kanan. Gaya tekan dari simulasi tekanan darah menyebabkan deformasi mekanis pada lapisan luar selongsong, yang menghasilkan tegangan listrik untuk setiap siklus detak jantung—cukup untuk meningkatkan masa pakai baterai sebesar 10%. Kami masih memiliki pekerjaan yang harus dilakukan untuk meningkatkan masa pakai baterai lebih dari 10% dan memvalidasi lebih lanjut temuan kami, namun potensinya memang sangat menarik.

Bagaimana tim Anda menemukan bahan yang akan digunakan dan desain awal perangkat?

Perangkat ini sangat kecil, sekitar sepertiga dari baterai AAA. Tantangannya adalah menjaga ukuran dan bentuknya untuk mempertahankan prosedur implantasi yang sama sekaligus memastikannya dapat menghasilkan energi yang cukup. Tim kami memilih untuk menggunakan polimer piezoelektrik karena stabilitas, biokompatibilitas, dan fleksibilitas mekanisnya. Piezoceramics umum, seperti timbal zirkonat titanat, dikeluarkan dari pertimbangan karena toksisitasnya, kerapuhannya yang dapat menyebabkan patah, dan fabrikasi 3D yang rumit.

Kami secara khusus memilih polimer yang disebut polivinilidena fluorida (PVDF) karena respons piezoelektriknya yang besar, selain biokompatibilitasnya. Bahan tersebut digulung menjadi bentuk silinder yang sesuai dengan alat pacu jantung tanpa timbal, sehingga menciptakan wadah piezoelektrik yang fleksibel. Prototipe yang dibuat oleh mahasiswa BioE mencakup batang aluminium sebagai pengganti alat pacu jantung sebenarnya, film isolator, dan epoksi untuk membungkusnya.

Kami memutuskan untuk menggunakan desain berbentuk halter karena kami tidak ingin memasang film PVDF langsung pada alat pacu jantung. Desain inovatif ini memungkinkan terjadinya lebih banyak deformasi di bawah tekanan yang diberikan, sehingga menghasilkan peningkatan pengumpulan energi.

Mengapa penelitian ini penting bagi Anda?

Ini berlaku untuk masalah nyata, yang menantang namun sangat mengasyikkan. Tujuannya adalah untuk memperpanjang masa pakai baterai, mengurangi implantasi ulang, dan meningkatkan pencalonan alat pacu jantung tanpa timbal. Jika penggantian baterai yang dibutuhkan lebih sedikit, alat pacu jantung tanpa timbal bisa lebih mudah diakses oleh pasien yang lebih muda.

Saya juga dapat meninjau kembali beberapa penelitian saya sebelumnya. Ph.D saya. berfokus pada komposit multifungsi dengan bahan piezoelektrik tertanam. Ini melibatkan sintesis bahan nano dan polimer piezoelektrik, fabrikasi komposit, pemodelan teoritis dan numerik, dan karakterisasi elektromekanis.

Apa selanjutnya untuk proyek ini?

Tahun lalu kami bekerja dengan sekelompok mahasiswa bioteknologi berbakat dalam program Magister Bioteknologi Terapan. Saya bersemangat untuk menjadi mentor bersama sekelompok mahasiswa baru dan terus berkolaborasi dengan Dr. Babak Nazer, profesor kedokteran di Fakultas Kedokteran UW dan direktur Laboratorium Elektrofisiologi Translasional.

Kami melakukan penelitian yang lebih mendasar seperti pemodelan multifisika struktur piezoelektrik fleksibel untuk meningkatkan kinerja pemanenan energi. Kami akan menguji desain kami dengan prototipe baru dan menggunakan bahan berbeda untuk membuat perangkat lebih sensitif dan responsif terhadap fluktuasi tekanan darah.

Kemudian, Dr. Nazer di UW Medicine akan melakukan validasi in-vivo untuk memastikan keamanan dan efisiensi. Hal ini akan memberikan wawasan baru bagi pemanen energi piezoelektrik implan dan harapan kami adalah memiliki perangkat yang dapat menggerakkan sebagian alat pacu jantung tanpa timbal.