有心人人都可發電,心律調節器未來可望以心跳供電

作者 | 發布日期 2019 年 02 月 22 日 8:00 | 分類 能源科技 , 醫療科技 follow us in feedly

波浪能運用不間斷的海浪來發電、風力發電則是捕捉持續吹拂的自然風,這些例子讓科學家心想:人們是否能藉由自身心臟跳動,為電子設備來供電?最近美國達特茅斯學院(Dartmouth College)團隊便研發出新型低侵入性「自供電」設備,可將心跳動能轉換成電力,為心律調節器或其他植入式醫用設備供電。




目前全球每年平均植入 100 萬個心律調節器,但設備電池電量 5-10 年就會用盡,到時就得進行外科手術更換電池,因此 Dartmouth 科學家與德州大學聖安東尼奧醫學中心希望可研發出自供電系統,讓患者不再需要更換電池,不然電池沒電、手術過程都存有風險,患者的醫療費用也會再次提高。

只不過要研發出不干擾心血管功能與身體日常運作、兼具生物相容性與靈活性的設備相當困難,基本上光是如何將心跳轉換成電能就是一大挑戰。

根據團隊在《Advanced Materials Technologies》發表的論文,團隊已採用薄膜能源轉換材料與最低侵入性機械設計,成功研發出適用於心律調節器與心臟去顫器等植入式裝置的自供電系統。

團隊改良現有的心律調節器,把原本連接到心臟的引線用特殊聚合物壓電薄膜包覆,其中該材料名為 PVDF,當採用多孔結構設計時就可以運用傳動桿等將機械動能轉換成電力,心臟跳動時會牽動引線來回移動,壓電材料就會在心臟收縮和擴張時產生電訊號。

研究指出,當心跳模型每秒一拍時,電力輸出可達 0.5 V 與 43 納安(nA,註),若再加上 32 mg 重的振動質塊(Proof mass),電力輸出則可增加兩倍,且這種設計也可用於感測器,能用來收集數據以監測患者。

該研究計畫受到美國國立衛生研究院(NIH Director)為期五年的 Transformative Research Award 計畫補助,目前正進行到第 3 年,預估商業化還需要 5 年的時間,產品走出實驗室前得先進行臨床實驗與獲得相關單位批准。

未來團隊也會持續研究,像是最佳化能源轉換與擴大技術規模,展望未來,將來患者將不再需要 5 年、10 年更換心律調節器電池,可運用自身心跳為設備供電,解決設備的電力問題。

註:43 nA 約等於 0.04 μA,植入式心律調節器節律為 100% 時,電流消耗約 10-13 μA。

(首圖來源:Dartmouth