Onderzoekers van de University of Wisconsin–Madison hebben een implanteerbare pacemaker ontwikkeld die geen traditionele batterij nodig heeft. Het prototype haalt de benodigde elektriciteit uit de beweging van het kloppende hart. Daarmee willen de onderzoekers uiteindelijk een pacemaker ontwikkelen die gedurende het hele leven van een patiënt kan blijven functioneren.
Vooral bij draadloze pacemakers kan zo'n zelfvoorzienende energiebron belangrijke voordelen bieden. De batterij neemt momenteel een groot deel van het implantaat in beslag en moet uiteindelijk worden vervangen. Een energievoorziening die gebruikmaakt van de hartslag kan nieuwe ingrepen mogelijk voorkomen en tegelijkertijd ruimte creëren voor kleinere of uitgebreidere implantaten.
Batterij blijft beperkende factor
Pacemakers zijn de afgelopen decennia steeds kleiner en geavanceerder geworden. Traditionele systemen bestaan uit een onder de huid geplaatste pacemaker die via elektroden met het hart is verbonden. Sinds enkele jaren zijn ook draadloze intracardiale pacemakers beschikbaar. Deze compacte apparaten worden via een katheter naar het hart gebracht en rechtstreeks in de rechterhartkamer geplaatst.
Het ontbreken van elektroden en een implantaat in de borstkas vermindert bepaalde complicaties en kan het herstel versnellen. De batterij blijft echter een beperking. Bij een apparaat zoals de Micra neemt die meer dan de helft van het volume en gewicht in beslag en bedraagt de levensduur tussen zeven en veertien jaar.
Wanneer de batterij leeg is, is het verwijderen van de pacemaker uit het hart lastig. Het oude implantaat blijft daarom vaak zitten en er wordt een nieuw exemplaar bijgeplaatst. Vooral voor jonge patiënten, die gedurende hun leven meerdere vervangingen nodig kunnen hebben, is dat niet ideaal. Onderzoekers experimenteren daarom al langer met alternatieve energiebronnen, waaronder piezo-elektrische en tribo-elektrische nanogeneratoren. Tot dusver leverden geminiaturiseerde systemen echter onvoldoende energie voor een intracardiale pacemaker.
Hartslag levert energie
Het team van materiaalwetenschappers Pengfei Chen en Xudong Wang ontwikkelde een tribo-elektrische nanogenerator die klein genoeg is om in de ruimte van de batterij van een bestaande Micra-pacemaker te passen. De totale omvang van het implantaat hoeft daardoor niet toe te nemen. Boven en onder de elektronica bevinden zich speciale oscillerende structuren. Die bestaan uit elektrodeplaten met aan de ene zijde een positieve kopercoating en aan de andere zijde een negatief geladen laag van gefluoreerd ethyleenpropyleen.
Met elke hartslag worden de structuren in beweging gebracht. Daarbij worden tegengesteld geladen oppervlakken tegen elkaar gedrukt en vervolgens weer van elkaar gescheiden. De resulterende elektrische lading kan direct worden gebruikt om de pacemaker van energie te voorzien of worden opgeslagen in een kleine condensator.
Het ontwerp stelde de onderzoekers voor een belangrijke technische uitdaging. De constructie moet flexibel genoeg zijn om effectief te bewegen, maar tegelijkertijd mechanisch stabiel blijven terwijl zij miljoenen hartslagen ondergaat. Onder meer de positie en breedte van de bedrading en de dikte van elektroden en onderlagen werden daarom geoptimaliseerd.
Hogere energiedichtheid
In laboratoriumtests bereikte de nanogenerator een vermogensdichtheid van 276,6 microwatt per kubieke centimeter. Volgens de onderzoekers is dat voldoende om de pacemaker te laten functioneren. Bovendien ligt de vermogensdichtheid een orde van grootte hoger dan bij eerdere geminiaturiseerde nanogeneratoren.
Vervolgens werd een prototype gedurende een maand getest in een varken. Tijdens functionele tests leverde de nanogenerator voldoende energie om elektrische stimulatie van het hart mogelijk te maken. Ook werden geen nadelige reacties waargenomen buiten de effecten die bij conventionele batterijgevoede intracardiale pacemakers worden gezien. Daarmee is een eerste stap richting toepassing in het lichaam gezet. De onderzoekers benadrukken echter dat het systeem nog niet klaar is voor klinische tests bij mensen.
Energieopbrengst is nog een uitdaging
Een belangrijk aandachtspunt is dat de energieopbrengst in het varkenshart lager was dan tijdens laboratoriumtests. Hartweefsel is zacht en dempt daardoor een deel van de mechanische beweging van de generator. Daarnaast beweegt het hart niet simpelweg op en neer, maar maakt het tijdens het kloppen ook een draaiende beweging. De huidige generator werkt juist het efficiëntst bij een meer lineaire beweging.
De onderzoekers willen het ontwerp daarom verder aanpassen om deze complexe bewegingen efficiënter om te zetten in mechanische oscillaties en vervolgens in elektriciteit. Daarbij moet de energieproductie niet alleen voldoende, maar ook langdurig stabiel zijn. Als dat lukt, kan de technologie verder reiken dan alleen pacemakers. Een compacte energiebron die continu energie uit het lichaam haalt, kan volgens het onderzoeksteam ook ruimte bieden voor een nieuwe generatie kleinere implantaten met uitgebreidere diagnostische en therapeutische functies.
De stap naar toepassing bij patiënten zal naar verwachting nog jaren duren. Het uiteindelijke perspectief is echter duidelijk: een intracardiale pacemaker die niet langer wordt begrensd door de levensduur van zijn batterij, maar zijn energie haalt uit het orgaan dat hij ondersteunt.
AI verlengt levensduur pacemaker
Eerder dit jaar ontwikkelden onderzoekers van de Universiteit van Leeds, Université Grenoble Alpes en het Universitair Ziekenhuis van Grenoble-Alpes een AI-algoritme dat kan helpen de batterijduur van pacemakers te verlengen. De software voorspelt hoeveel energie afzonderlijke functies en instellingen verbruiken, zodat cardiologen de configuratie beter kunnen afstemmen op de medische behoeften van individuele patiënten.
Het model gebruikt praktijkgegevens uit pacemakerhandleidingen en klinische dossiers en berekent onder meer het energieverbruik van functies zoals frequentieresponsiviteit, kamersynchronisatie en activiteitentracking. De uitkomsten zijn gevalideerd met patiëntgegevens. Pacemakers hebben doorgaans een levensduur van zeven tot veertien jaar. Door functies die een patiënt niet nodig heeft uit te schakelen, kan de batterij mogelijk meerdere jaren langer meegaan. Dat kan het aantal vervangende operaties en de bijbehorende zorgkosten verminderen. Bovendien maakt het model directe vergelijking tussen verschillende apparaten, instellingen en fabrikanten mogelijk.
Referenties
Science Advances (onderzoek)
