Wie kann ein Herz seinen eigenen Schrittmacher antreiben?

Der Schrittmacher – dieses implantierbare Gerät, das das Herz mit elektrischen Impulsen stimuliert und einen Ticker dazu veranlasst, regelmäßig zu schlagen – war eine zufällige Erfindung . Wilson Greatbatch (dessen Name an sich schon eine großartige Erfindung ist) war ein medizinischer Forscher und Erfinder, der versuchte, Herzgeräusche einzufangen, als er auf einen Weg stieß, mit dem sein Gerät elektronische Impulse abgeben konnte [Quelle: Feder ].

Dies war eine große Sache in der Welt der Medizin. Vor der implantierten Technologie waren Herzschrittmacher an sperrige externe Geräte angeschlossen, die Patienten buchstäblich schockierten. Einen autarken Herzschrittmacher zu haben, war ein bedeutender Fortschritt in der Medizin. Aber der Herzschrittmacher brauchte immer noch eine Stromquelle, und schließlich stieg Greatbatch in das Geschäft mit Lithiumbatterien ein, um eine bessere, länger anhaltende Stromversorgung für den Herzschrittmacher zu schaffen [Quelle: MIT ]. Greatbatch starb 2011, aber der Bedarf an einer zufriedenstellenderen Energiequelle für den Herzschrittmacher blieb bestehen.

Im Jahr 2014 ließen Forscher es so klingen, als ob die Suche beendet sein könnte. Ein interdisziplinäres Forschungsteam (einschließlich Wissenschaftlern und Kardiologen der Northwestern University, der University of Illinois und der University of Arizona) hat ein Gerät entwickelt, das die Bewegung des Herzschlags (sowie der Bewegung der Lunge und des Zwerchfells) nutzt, um einen implantierten Herzschrittmacher anzutreiben. Während die autarken Herzschrittmacher noch nicht am Menschen getestet wurden, wurden sie bisher erfolgreich bei Kühen, Schafen und Schweinen getestet.

Noch besser? Obwohl die Technologie für einen Herzschrittmacher getestet wurde, könnte sie für jedes implantierte Gerät, das Batteriestrom verwendet, breite Anwendung finden. Denken Sie an Cochlea-Implantate, implantierte Defibrillatoren und sogar Herzfrequenzmonitore – alle diese Geräte verwenden Batterien, die gewechselt werden müssen. Das Ersetzen dieser Batterien bedeutet normalerweise einen potenziell riskanten chirurgischen Eingriff [Quelle: Dagdeviren et al. ]. Wie also erzeugt unser Körper genug Spannung, um einen Herzschrittmacher funktionsfähig zu halten? Lesen Sie weiter für das Wesentliche.

Die Prämisse klingt nach Weltraumzeitalter genug: ein Implantat, das die mechanische Energie des Herzens in elektrische Energie umwandelt und es einem Körper ermöglicht, genau den Mechanismus anzutreiben, der ihn am Leben erhält. Aber die eigentliche Mechanik des Implantats ist ziemlich einfach zu verstehen, während es immer noch ein gigantischer wissenschaftlicher Sprung nach vorne ist.

Das Implantat selbst ist ein flexibler Film, der piezoelektrisch ist – das heißt, wenn das Material gebogen wird (oder wenn allgemein Druck ausgeübt wird), erzeugt es elektrische Energie. Wenn dies nicht von dieser Welt klingt, bedenken Sie, dass piezoelektrische Materialien tatsächlich in etwas so Alltäglichem wie Ihrem Tintenstrahldrucker verwendet werden . Piezoelektrische Kristalle im Drucker haben eine kleine Ladung, die eine Vibration verursacht, die wiederum Tinte auf Papier verteilt.

Wenn die flexiblen, piezoelektrischen Nanostreifen des Herzschrittmacherimplantats gedrückt werden, erscheint ein elektrisches Signal. Die Idee ist, dass der Schlag des Herzens – oder die Bewegung anderer Organe, wie Lunge und Zwerchfell beim Atmen – das Material drückt und mit jedem Atemzug oder Schlag Strom gewonnen wird. Der Akku im Implantat wird also so lange mit Strom versorgt, wie Ihr Herz schlägt oder sich Ihre Lunge füllt.

Das piezoelektrische Material des Implantats besteht aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), das eigentlich eine Keramik ist, die in Sensoren verwendet wird [Quelle: Fellman ]. Während piezoelektrische Geräte 2012 als Material für Herzschrittmacher mit eigener Stromversorgung getestet wurden, konnte das PZT-Material drei- bis fünfmal mehr Strom erzeugen als die Nicht-PZT-Geräte [Quelle: Shankland ]. Die Wissenschaftler haben es nur an Tieren getestet, waren aber erfolgreich, als es an Herz, Lunge oder Zwerchfell befestigt wurde – erfolgreich genug, um eine 3,8-Volt-Batterie ausreichend mit Strom zu versorgen [Quelle: Fellman ]. Sie stellten auch fest, dass die Platzierung ein Problem war; nicht jeder Zentimeter unseres sich bewegenden Körpers funktionierte gleich. Das Platzieren des Geräts auf einem Herzventrikel in einem Winkel schien am besten zu funktionieren [Quelle:Marks und Rutkin ].

Zusamenfassend? Ein herzbetriebener Herzschrittmacher ist nicht so weit in der Zukunft. Noch wichtiger ist, dass diese Technologie offenbar in allen Arten von implantierten elektrischen Geräten nützlich sein wird.

Anmerkung des Autors: Wie kann ein Herz seinen eigenen Schrittmacher antreiben?

Für einen supercoolen Blick auf einen piezoelektrischen Herzschrittmacher in Aktion können Sie sich hier ein Video ansehen . Beachten Sie, dass, obwohl es an Kühen, Schafen und Schweinen getestet wurde, alle Tiere nicht bei Bewusstsein waren, als die Forschung durchgeführt wurde; Wir müssen noch sehen, wie die herzschlagbetriebenen Schrittmacher in einem aktiven, wachen Tier halten würden.

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