Имплантируемые стимуляторы глубокого мозга могут помочь многим людям с неврологическими и психиатрическими заболеваниями, когда традиционные методы лечения не помогают. Но хирургическое вмешательство каждый раз, когда требуется замена батареек, является серьезным недостатком. Теперь исследователи UConn сообщают в Cell Reports Physical Sciences о новом способе зарядки устройств с использованием собственных дыхательных движений человека.

Глубокие стимуляторы мозга становятся все более распространенными, и каждый год имплантируется около 150 000 новых устройств. Обычно они помещаются под кожу в области грудной клетки, а их электроды имплантируются в мозг. Электроды посылают в мозг электрические импульсы несколько раз в секунду, чтобы регулировать аномальную электрическую активность мозга.

Глубокие стимуляторы мозга могут помочь людям с болезнью Паркинсона и другими двигательными расстройствами восстановить контроль над своими мышечными движениями. Исследования также показали, что этот метод может значительно уменьшить симптомы психических состояний, таких как устойчивая к лечению депрессия и обсессивно-компульсивное расстройство.

Так же, как и кардиостимулятор, стимуляторы глубокого мозга работают на батарейках. В то время как срок службы большинства батарей кардиостимулятора составляет 7-10 лет, батареи для стимуляции глубокого мозга обычно требуют замены каждые 2-3 года из-за их высокого энергопотребления. И каждая замена батареи требует хирургического вмешательства.

Химики Калифорнийского университета Эсраа Эльсанадиди, Ислам Моса, Джеймс Руслинг и их коллеги разработали стимулятор глубокого проникновения в мозг, батарейки которого никогда не нуждаются в замене.

Вместо батареи новое устройство преобразует движение грудной клетки пользователя при вдохе в электричество. Когда человек вдыхает и выдыхает, стенка грудной клетки давит на очень маленький и тонкий электрический генератор, называемый трибоэлектрическим наногенератором. Наногенератор преобразует это движение в статическое электричество.

Концепция сродни тому, чтобы потереть воздушный шарик о рубашку, а затем повесить его на стену и приклеить там. Стена и воздушный шар имеют разные статические электрические заряды и прилипают друг к другу. Заряды от более отрицательного материала прилипают к более положительному, и в трибоэлектрическом наногенераторе стимулятора глубокого мозга это создает ток, который заряжает суперконденсатор. Суперконденсатор разряжает электричество для питания медицинского устройства и стимуляции работы мозга.

"Мы создали наш трибоэлектрический наногенератор, используя новые наноматериалы, которые при соприкосновении друг с другом выделяют значительную энергию, достаточную для запуска глубокого стимулятора мозга", - говорит Эльсанадиди.

"Мы хотели, чтобы это вписывалось в остальные доступные технологии обычным способом. В принципе, если у кого-то уже есть стимулятор глубокого мозга, мы могли бы просто заменить батарею этим генератором без необходимости дооснащать их совершенно новым устройством", - говорит химик UConn Джим Руслинг.

Команда протестировала устройство, встраивая свой трибоэлектрический наногенератор в грудную клетку имитируемой свиньи, содержащей свиное легкое, подключенное к насосу. Когда легкое свиньи раздувается и сдувается во время вдоха и выдоха, оно прижимается к наногенератору, заставляя два слоя внутри наногенератора тереться и вырабатывать электричество.

Электричество проходит по тонкому проводу, заряжая суперконденсатор, который питает электронику глубокого стимулятора мозга, размещенную снаружи грудной клетки. Стимулятор мозга использовал электричество, запасенное в суперконденсаторе, для создания импульсов 60 раз в секунду, точно так же, как это было бы в коммерческом устройстве.

"Это первая система, которая сочетает в себе все составляющие: эффективный сбор энергии, накопление энергии и управляемый стимулятор мозга. Мы продемонстрировали, что наш автономный стимулятор глубокого мозга может периодически стимулировать мозговую ткань, чередуя периоды стимуляции и периоды отсутствия стимуляции, что является эффективным методом глубокой стимуляции мозга для лечения психиатрических состояний", - говорит Моса, который также является техническим директором VoltXon, компании в технологическом инкубаторе UConn. Программа, которая коммерциализирует систему. Следующим шагом будет опробование устройства на крупном животном.