Een pacemaker die geen batterij nodig heeft, maar zijn energie haalt uit de beweging van het hart zelf. Onderzoekers van de University of Wisconsin-Madison hebben een kleine tribo-elektrische nanogenerator ontwikkeld die een pacemaker mogelijk een leven lang van stroom kan voorzien.
Energie uit beweging
Pacemakers zijn in de afgelopen decennia steeds kleiner en slimmer geworden. Vooral zogenoemde leadless pacemakers, die rechtstreeks in de rechterkamer van het hart worden geplaatst, maken een borstimplantaat en elektrische draden door de aderen overbodig. Een belangrijk nadeel blijft echter de batterij. Die neemt een groot deel van het apparaat in beslag en gaat doorgaans zeven tot tien jaar mee. Daarna is een nieuwe ingreep nodig.
Onderzoekers van de University of Wisconsin-Madison hebben nu een andere aanpak ontwikkeld. Hun pacemaker gebruikt een tribo-elektrische nanogenerator (TENG) om de mechanische beweging van het kloppende hart om te zetten in elektriciteit. Bij tribo-elektriciteit ontstaat een elektrische lading wanneer twee verschillende materialen met elkaar in contact komen en daarna weer van elkaar worden gescheiden.
In de nieuwe pacemaker bevinden zich kleine, oscillerende structuren met verschillende materialen. Iedere hartslag zorgt ervoor dat deze structuren bewegen. Daardoor komen de materialen tegen elkaar en bewegen ze vervolgens weer uit elkaar. De daarbij opgewekte elektrische energie wordt gebruikt om de pacemaker te laten werken of tijdelijk opgeslagen in een kleine condensator.
In een pacemaker
De onderzoekers wilden nadrukkelijk niet een veel groter apparaat ontwikkelen. De nanogenerator moest passen in de ruimte die normaal door de batterij van een bestaande leadless pacemaker wordt ingenomen. Volgens de onderzoekers kan de technologie daardoor worden geïntegreerd in een ontwerp dat via een katheter door een ader naar het hart wordt gebracht.
In laboratoriumtests leverde de nanogenerator een vermogensdichtheid van 276,6 microwatt per kubieke centimeter. Dat is volgens de onderzoekers ongeveer een orde van grootte hoger dan bij eerdere nanogeneratoren van dit formaat. Daarmee is er volgens het onderzoek voldoende energie beschikbaar om de pacemaker te laten functioneren.
Vervolgens werd een prototype bij een varken geïmplanteerd. Gedurende een maand werd gekeken naar de werking en de reactie van het lichaam. Tijdens functionele tests kon de nanogenerator de stimulatie van het hart van energie voorzien. De onderzoekers zagen daarbij geen extra ongewenste reacties ten opzichte van conventionele intracardiale pacemakers.
Nog geen patiënten
Hoewel de resultaten veelbelovend zijn, is een pacemaker die zichzelf volledig van energie voorziet nog geen technologie die binnenkort bij patiënten wordt toegepast. In het dierexperiment bleek namelijk dat de nanogenerator in het hart minder vermogen produceerde dan tijdens laboratoriumtests.
Dat heeft onder meer te maken met de eigenschappen van hartweefsel. Dat is zacht en dempt een deel van de beweging die nodig is om de nanogenerator efficiënt te laten werken. Daarnaast beweegt een hart niet simpelweg op en neer. De beweging bestaat ook uit draaien en andere complexe bewegingen. De onderzoekers willen de nanogenerator daarom verder aanpassen zodat die verschillende bewegingen beter kan benutten.
Het uiteindelijke doel is een pacemaker die niet na zeven of tien jaar hoeft te worden vervangen vanwege een lege batterij. De onderzoekers denken bovendien dat dezelfde aanpak interessant kan zijn voor andere implanteerbare elektronica. Een betrouwbare energiebron die gebruikmaakt van beweging in het lichaam kan bijvoorbeeld ruimte vrijmaken voor extra sensoren, diagnostiek of andere elektronische functies.
Voorlopig gaat het dus om experimentele technologie. De onderzoekers verwachten dat er nog jaren nodig zijn voordat commerciële toepassing en klinische inzet mogelijk zijn. Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in Science Advances.
Wat betekent dit voor HCC-leden?
Voor HCC-leden is dit een mooi voorbeeld van hoe technologie uit verschillende vakgebieden samenkomt. Elektronica, materiaalkunde, nanotechnologie en medische techniek worden hier gecombineerd om een heel praktisch probleem op te lossen: hoe voorzie je een piepklein elektronisch apparaat jarenlang van energie zonder de batterij steeds te vervangen? De tribo-elektrische nanogenerator laat bovendien zien dat zelfs de beweging van een hart kan worden gebruikt als energiebron voor elektronica.
Standpunt van HCC
HCC vindt technologische ontwikkelingen zoals deze interessant omdat ze laten zien hoe breed de mogelijkheden van elektronica zijn. Een zelfvoorzienende pacemaker klinkt misschien als medische technologie, maar achter de ontwikkeling zitten precies de onderwerpen waar veel techliefhebbers belangstelling voor hebben: energieopwekking, sensoren, miniaturisering, materialen en slimme elektronica. Tegelijkertijd is het belangrijk om onderscheid te blijven maken tussen een veelbelovend onderzoeksprototype en een technologie die daadwerkelijk veilig en beschikbaar is voor patiënten.
De bij dit artikel gebruikte afbeeldingen zijn gemaakt met AI en vertegenwoordigen geen daardwerkelijk gefotografeerde situaties.
