Новый аккумулятор, созданный в научных лабораториях, является самым миниатюрным элементом питания, который способен работать внутри человеческого тела. Уже в самом ближайшем будущем такие аккумуляторы будут питать энергией "бионические нейроны" - автономные устройства, которые излучают электрические микроимпульсы, стимулируя поврежденные нервы или парализованные мускулы живого организма.

Батарея диаметром 2,9 мм и длиной 13 мм по размеру примерно соответствует карандашному острию. Малый размер батареи позволяет создавать миниатюрные устройства, которые легко имплантировать в человеческое тело без риска повредить сосуды или занести инфекцию. Перезарядка аккумулятора осуществляется дистанционно.

Новый электролит

Если элемент питания так мал, то насколько хватит его заряда? Раньше эта проблема становилась непреодолимым препятствием в практическом использовании миниатюрных аккумуляторов. Однако новые аккумуляторы, которые недавно были представлены в США, способны работать при условии периодической перезарядки до 10 лет подряд. Эти устройства разработаны калифорнийской фирмой Quallion в тесном сотрудничестве с Аргоннской национальной лабораторией и университетом Висконсина. Секрет продолжительного жизненного цикла заключается в уникальном химическом составе электролита.

В процессе поиска подходящего электролита с нужными характеристиками исследователи экспериментировали с полимером полисилоксана. Эксперименты оказались успешными: полученная фаза на основе этого полимера характеризовалась чрезвычайно высокой ионной электропроводностью, которая приближалась к 10^-3 S см^-1 при комнатной температуре. Это рекордный показатель. Ни один твердый электролит в литий-ионном аккумуляторе никогда не демонстрировал подобную ионную электропроводность при комнатной температуре.

Аккумулятор, изготовленный с использованием полимера полисилоксана, можно перезаряжать на расстоянии - достаточно поместить его в электрическое поле. Таким образом, в случае использования нового элемента питания в конструкции бионических нейронов отпадает потребность проводить периодические хирургические операции по извлечению имплантанта из человеческого тела и перезарядке элементов питания.

Аккумуляторы фирмы Quallion, предназначенные для конструирования имплантантов, маркируются как серия "I". При массе элемента 200 мг эффективность заряда (емкость) составляет 3 мАч.

Недостатком нового аккумулятора является высокая цена. В данный момент один элемент серии "I" стоит около $400, однако при массовом производстве стоимость должна значительно снизиться.

Конструкция устройства

Разработкой прикладных устройств с использованием новых аккумуляторов занимается, в частности, американская фирма Advanced Bionics. Она известна, главным образом, как разработчик популярного "бионического уха" - прибора Clarion CII Bionic Ear, который возвращает людям слух. Прибор улавливает все звуки, расшифровывает их и посылает напрямую в слуховой нерв с частотой миллион импульсов в секунду. "Бионическое ухо" вживляется в кожу на голове и обеспечивает очень высокую четкость звука.

Следующий коммерческий продукт фирмы Advanced Bionics, скорее всего, будет универсальным миниатюрным стимулятором, который можно имплантировать в любую часть человеческого тела и запрограммировать на определенное воздействие. Этот прибор на основе новых миниатюрных аккумуляторов фирмы Quallion носит кодовое название Bion и пока что находится в стадии разработки. Предполагается, что самыми очевидными сферами его применения будут лечение больных с недержанием мочи и парализованными легкими. В обоих случаях пациенты нуждаются в постоянном и довольно примитивном электрическом стимулировании определенных мышц, утративших работоспособность.

Bion внешне выглядит как маленький герметичный цилиндр, абсолютно изолированный от внешней среды. Управляющие команды он получает по радио. Таким способом можно в процессе лечения перепрограммировать устройство. Доктор может изменить частоту и силу электроимпульсов, увеличив или уменьшив воздействие на поврежденный орган. Система управления питанием принимает радиосигнал от аккумулятора, который сообщает об истощении заряда.

Перезарядка осуществляется просто. Один вывод батареи встроен в само устройство, которое находится внутри тела, а второй вывод можно поместить в кресло или кушетку во врачебном кабинете. Достаточно пациенту посидеть 15 минут в таком кресле - и он уже полностью заряжен. Процедура перезарядки аккумулятора проходит незаметно для пациента.

Как часто нужно перезаряжать аккумулятор, зависит от интенсивности его работы в организме человека. В целом, интервалы перезарядки варьируются от недели до месяца. Вместо плановой перезарядки можно установить Bion в режим оповещения, когда он сам будет сигнализировать забывчивым пациентам об упавшем напряжении.

Применение электроимпульсов

Электроимпульсы давно используются в медицине для мышечной стимуляции, это стандартная процедура физиотерапии. Самым распространенным методом является размещение электродов на поверхности кожи. Недостатки очевидны: такие импульсы могут быть болезненными, а точное стимулирование определенных участков мышечной ткани отнюдь не гарантировано.

Имплантанты сегодня используются гораздо реже, потому что они питаются от больших батарей относительно малой емкости, да к тому же не перезаряжаемых. Фактически, только некоторые виды подобных имплантантов нашли широкое применение - например, кардиостимуляторы. Однако даже самые лучшие из них могут работать без перезарядки всего три-пять дней.

Бионический нейрон настолько мал, что без труда размещается в определенном месте возле нужной мышцы. Он работает по принципу мимикрии, подражая импульсам из мозга и, таким образом, стимулируя сокращение мышц. Методом электростимуляции бионический нейрон возвращает к жизни парализованные мускулы. Он может выполнять и другие функции, если его запрограммировать на более сложное поведение.

Сейчас ведутся научные исследования, которые имеют целью поставить имплантант под контроль, чтобы постоянно управлять его характеристиками с компьютерного пульта и одновременно снабжать энергией. Такие опыты ставят ученые из биомедицинского инженерного департамента Университета Южной Калифорнии.

Ожидается, что прибор получит одобрение FDA на использование в медицинских целях уже в 2004 году.

Анатолий АЛИЗАР

По материалам журнала Wired, докладов Quallion.