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Diagnostica

Il battito cardiaco è la nuova fonte di alimentazione per i dispositivi impiantabili

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Scritto da Lorenzo Morelli

Milioni di persone in tutto il mondo si affidano a pacemaker, defibrillatori ed altre tipologie di device cardiaci impiantabili che, nella maggior parte dei casi, svolgono il ruolo di salvavita. Alimentati da batterie che solitamente devono essere sostituite ogni cinque o dieci anni, espongono i pazienti ad un intervento chirurgico con il quale impiantarli.
L’operazione, oltre ad essere costosa, presenta elevati fattori di rischio, soprattutto nel caso di persone anziane. Dunque, l’alimentazione di questi dispositivi da sempre rappresenta uno dei problemi più difficili da risolvere.

Ad oggi solo i progressi della ricerca nel campo delle scienze dei materiali hanno offerto soluzioni alternative ma mai in maniera definitiva. Come afferma John XJ Zhang, professore di ingegneria del Dartmouth College, a capo del progetto di ricerca che è rivolto alla risoluzione di questo problema.

Stiamo cercando di risolvere il “problema finale” per qualsiasi dispositivo biomedicale impiantabile [..] Come crei una fonte di energia efficace in modo che il dispositivo faccia il suo lavoro durante l’intera vita del paziente, senza la necessità di un intervento chirurgico per sostituirne la batteria?

Secondo gli studi effettuati dal team di ingegneri della Thayer School of Engineering coordinati appunto da John XJ Zhang, in collaborazione con i medici dell’UT Health San Antonio, il battito cardiaco potrebbe presto diventare la nuova fonte di energia alla base del funzionamento dei dispositivi suddetti. In questo modo non esisterebbe più la necessità di intervento per la sostituzione delle componenti di alimentazione dei device.

(Modello del prototipo realizzato)

Inizialmente il lavoro del team di ricercatori è stato incentrato perlopiù sulla modifica dei pacemaker, uno dei dispositivi più impiantati e coinvolti maggiormente nella dinamica cardiaca. Lo studio finanziato dal National Institutes of Health, attraverso le sperimentazioni effettuate, ha ottenuto un feedback positivo dall’applicazione del prototipo. La potenza erogata dalla cinetica cardiaca, convertita in energia elettrica tramite un apposito sistema composto da un generatore e conduttori costituiti da un particolare materiale piezoelettrico (PVDF-Polivinilidenfluoruro), è risultata essere sufficiente all’auto-sostentamento di un pacemaker.

Ma ad oggi quali sono i principali sistemi di alimentazione disponibili per questi dispositivi?

L’alimentazione nel pacemaker

Il pacemaker è un generatore di impulsi elettrici di opportuna durata, ampiezza e frequenza che può sostituire, sia temporaneamente che definitivamente, la funzione del nodo senoatriale. In condizioni normali esso assume il ruolo di “marcatempo” naturale, garantendo la giusta tempistica nella contrazione di atrii e ventricoli: dunque l’azione ritmica del cuore dipende esclusivamente dagli impulsi erogati dal nodo senoatriale. La presenza di patologie cardiache, può richiedere dunque l’uso del pacemaker, il quale agisce in modo tale da fornire l’impulso necessario e sufficiente alla corretta contrazione delle camere cardiache attraverso l’uso di un elettrocatetere. La generazione dell’impulso a sua volta è direttamente connessa al sistema di alimentazione dello stesso, componente fondamentale nei pacemaker: ogni dispositivo infatti usa metà della potenza totale disponibile per la stimolazione cardiaca, e l’altra metà per le funzioni di monitoraggio e di memorizzazione di dati. I primi dispositivi realizzati utilizzavano un sistema di alimentazione a batteria non-ricaricabile di zinco-mercurio la quale forniva però prestazioni limitate al dispositivo. Le batterie di questo tipo non solo occupavano un volume di ingombro notevole nell’inserimento chirurgico, ma non potevano neanche essere sostituite, perché cablate all’interno del dispositivo durante la sua fabbricazione. Nacque così l’esigenza di adottare nuovi sistemi di alimentazione come le batterie ricaricabili, costituite dalla stessa lega metallica, le quali però erano affette da altre problematiche: tempo di funzionamento ridotto e difficoltà nella ricarica.

(Evoluzione del pacemaker)

Attraverso i progressi della ricerca nel campo delle scienze dei materiali, venne realizzata un’altra tipologia di batterie, quelle al litio. Grazie alle proprietà di questo elemento chimico, le batterie così costituite, gradualmente hanno sostituito le batterie allo zinco-mercurio, avendo un’usura minore nel tempo. Nel corso degli anni ne sono state sviluppate altre tipologie, ma senza gran successo sotto il profilo del miglioramento della qualità del pacemaker: infatti tutte queste metodologie di alimentazione hanno sempre richiesto la sostituzione della batteria interna del device.
Dunque fino ad oggi è rimasto aperto il quesito su come realizzare batterie con una durata tale da escludere un intervento chirurgico per la manutenzione. Vediamo allora in cosa consiste il progetto di ricerca presentato precedentemente, che si appresta a soddisfare questa esigenza.

Una “nuova” fonte di energia

I ricercatori della Darthmouth University hanno elaborato un sistema di alimentazione per il pacemaker, dove l’elettrocatetere agganciato al miocardio è realizzato in PVDF (Polivinilidenfluoruro). Le proprietà di questo materiale, consentono di trasdurre in modo diretto una parte dell’energia cinetica del cuore in energia elettrica, in maniera tale da alimentare il pacemaker per tutta la vita del paziente; la parte restante di energia trasdotta, ha invece il ruolo di stimolare elettricamente la contrazione delle camere cardiache.

Il prototipo è stato realizzato a partire dagli ultimi modelli di pacemaker presenti sul mercato, cioè quelli alimentati con generatori elettromagnetici, essenzialmente composti da tre parti mobili: un magnete, un conduttore e una bobina. I magneti, integrati all’interno dei dispositivi o posizionati all’esterno del pacemaker, attraverso il loro movimento rispetto al conduttore, inducono in quest’ultimo un flusso di corrente che arriva al pacemaker, che viene così alimentato.

Il prototipo è stato realizzato a partire dagli ultimi modelli di pacemaker presenti sul mercato, cioè quelli alimentati con generatori elettromagnetici, essenzialmente composti da tre parti mobili: un magnete, un conduttore e una bobina. I magneti, integrati all’interno dei dispositivi o posizionati all’esterno del pacemaker, attraverso il loro movimento rispetto al conduttore, inducono in quest’ultimo un flusso di corrente che arriva al pacemaker, che viene così alimentato.

Nel caso del magnete integrato all’interno dei conduttori, in questi ultimi il magnete viene fatto scorrere: alle estremità di ogni ‘tubo’ di conduzione sono presenti degli elementi di deviazione (solitamente delle molle) che fanno “rimbalzare” il magnete mandandolo da un capo all’altro del conduttore. Le molle opportunamente regolate, possono creare risonanza nel sistema e quindi condurre elettricità. In questo modo il dispositivo viene ricaricato aumentando il tempo di usura del sistema di alimentazione.

Proprio sulla base di quest’ultimo modello, i ricercatori della Thayer School of Engineering hanno deciso di migliorare ulteriormente il sistema di ricarica del generatore del pacemaker, eliminando la componente meccanica (le molle) e ponendo un materiale piezoelettrico in sostituzione dei magneti: hanno realizzato quindi degli elettrocateteri costituiti da nanocavi riempiti per la loro intera lunghezza dal Polivinilidenfluoruro (PVDF).

Il funzionamento si basa sulla deformazione del cristallo piezoelettrico (PVDF) dovuta alla contrazione ed espansione delle camere cardiache. L’energia ricavata dalla pressione esercitata sul cristallo viene convertita in energia elettrica e parallelamente il generatore elettrico (o nanogeneratore) si ricarica: quando i fili si curvano, in risposta alla vibrazione cardiaca, le cariche vengono spostate producendo una corrente. Quest’ultima finisce nelle batterie del pacemaker grazie ai conduttori.

Il prototipo messo a punto dal team di ingegneri del Dartmouth College è in grado di generare 0,5 V e 43 nA quando un cuore pompa al ritmo di circa un battito al secondo. C’è ancora molto lavoro da fare per ottimizzare la conversione energetica e ridimensionare ulteriormente la tecnologia, ma ben presto questo prototipo potrebbe essere fruibile a tutti.


Fonti e approfondimenti
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Informazioni autore

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Lorenzo Morelli

Laureato in Ingegneria Clinica presso l'università "La Sapienza" di Roma. Ambiti di interesse: le neuroscienze e tecnologie chirurgiche innovative.

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