Batterielos im Takt: Symbiotischer Schrittmacher

Das symbiotische Herzschrittmachermodell gewinnt über einen triboelektrischen Nanogenerator Energie aus den Bewegungen des Herzens. Die innovative Technik löst möglicherweise das Problem der begrenzten Batterielaufzeit konventioneller Herzschrittmachersysteme.

Herzschrittmacher

Trotz großer Fortschritte in der Schrittmachertechnologie ist die Energieversorgung der Geräte noch nicht zufriedenstellend gelöst. Die heutzutage üblichen Lithium-Iod-Batterien sind zwar ihren Vorgängern in vieler Hinsicht überlegen, aber immer noch vergleichsweise groß und sperrig. Der Hauptnachteil des Batteriebetriebs ist seine begrenzte Laufzeit: Nach sechs bis zehn Jahren sind die Batterien leer und müssen mitsamt des Geräts im Rahmen einer Operation ausgewechselt werden.

Körper als Kraftwerk

In der Vergangenheit gab es bereits mehrere Versuche den Körper des Patienten zur Energieversorgung für einen Herzschrittmacher zu nutzen. Verschiedene Forscher experimentierten bereits mit dem Herzschlag, der Muskelaktivität, Stoffwechselvorgängen wie der Glukose-Oxidation oder der Körperwärme als Energiespender für implantierte Geräte. Eine chinesische Forschergruppe erprobte nun ihr neues Modell mit einem triboelektrischen Nanogenerator, der den Herzschlag als Energiequelle nutzt, bei Schweinen [1].

Zielsetzung

In der Studie wurde die Funktion eines von den Autoren entwickelten batterielosen symbiotischen Herzschrittmachersystems mit eigener Energieerzeugung über einen triboelektrischen Nanogenerator an großen Tiermodellen (Schweinen) getestet.

Methodik

Das neue symbiotische Schrittmachersystem besteht aus einem triboelektrischen Nanogenerator (iTENG) zur Energieerzeugung, einer Power Management Unit (PMU) und dem Schrittmacher. Der iTeng besteht aus Schichten vorwiegend flexibler Materialien, die sich optimal Formen und Bewegungen anpassen können.

Funktion des Nanogenerators

Der Nanogenerator besteht aus einer triboelektrischen Schicht polarisierten Polytetrafluorethylens (PTFE) und einer Aluminiumschicht, die als Elektronendonor dient. Beide Schichten sind im Ruhezustand durch ein poröses, schwammartiges Material voneinander getrennt. Erst die Pumpbewegung des Herzens bringt beide Schichten in kurzen Kontakt. Während der kurzen Kontaktphase kommt es zum Elektronentransfer. Die erzeugte Spannung wird in einem Kondensator gespeichert.

Testlauf bei Schweinen

Zur Überprüfung seiner Funktion wurde das neue symbiotische Schrittmachermodell an Schweinen getestet. Dazu wurde der iTeng zwischen dem Herzen und Perikard so platziert, dass die PTFE-Schicht der linksventrikulären Herzwand gegenüberlag. Im ersten Versuchsgang wurde der Ladevorgang beobachtet. In einem zweiten Versuchsgang wurden bei den Schweinen in Narkose eine bradykarde Arrhythmie durch Kühlung des Sinusknotens ausgelöst, um die antiarrhytmische Aktivität des Schrittmachers zu überprüfen.

Ergebnisse

Der triboelektrische Nanogenerator konnte bei jeder Systole eine Energie von 0,495 Mikrojoule erzeugen. Das ist mehr Energie als für die Schrittmacherfunktion nötig ist. In einer dreistündigen Ladezeit stieg die elektrische Spannung im Kondensator von 0 auf 3,55 Volt an. Die durch Kälte ausgelöste Arrhythmie im zweiten Versuchsgang wurde vom Schrittmacher registriert und korrigiert – allerdings war der Energievorrat nach einer Minute aufgebraucht.

Fazit

Die Autoren bezeichnen die Funktionsweise ihres iTeng als eine vielversprechende Methode, um in vivo biomechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. In vorangegangenen Tests hat der triboelektrische Nanogenerator bereits eine bemerkenswerte Haltbarkeit gezeigt. Er liefert außerdem viermal mehr Energie als andere Systeme, ist flexibel, leicht und kostengünstig. Die Autoren können sich vorstellen, dass das Prinzip des iTengs als Quelle direkter elektrischer Stimulation Anwendung finden könnte. Allerdings räumen die Autoren selbst ein, dass das System noch längst nicht reif für den Einsatz beim Menschen ist.

Autor: Barbara Welsch (Medizinjournalistin)

Stand: 27.05.2019

Quelle:
  1. Ouyang et al. (2019): Symbiotic cardiac pacemaker. Nature Communications 10, Article number: 1821. DOI: 10.1038/s41467-019-09851-1
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