Marcapasso sem bateria gera sua própria energia

Estrutura do marcapasso implantável alimentado por gerador triboelétrico.
[Imagem: Pengfei Chen et al. - 10.1126/sciadv.aef8903]

Marcapasso sem bateria

Um novo protótipo de marcapasso implantável dispensa totalmente as baterias porque é carregado pelos próprios batimentos cardíacos do paciente.

Com isto, o dispositivo tem potencial para durar a vida toda, reduzindo os riscos e custos associados à substituição das baterias e do próprio aparelho quando ele falha.

É um desafio de engenharia longamente sonhado, mas difícil de ser realizado porque não se trata apenas de gerar eletricidade - é necessário atingir uma densidade de energia suficiente para dar a segurança de que o marcapasso não irá ficar sem força quando for mais necessário.

"Tivemos que pensar em como equilibrar estabilidade e flexibilidade para que ele pudesse oscilar milhões e milhões de vezes, mas mantendo o comportamento mecânico desejado. Tivemos que otimizar o posicionamento e a largura de cada fio, bem como a espessura de cada placa de eletrodo e substrato," contou Pengfei Chen, da Universidade de Wisconsin (EUA).

O avanço foi possível graças aos nanogeradores, pequenos dispositivos triboelétricos, que transformam movimento mecânico - neste caso os batimentos do coração - em eletricidade ao fazer com que dois materiais com cargas opostas entrem em contato e depois se separem.

O menor marcapasso do mundo é alimentado por luz, sem fios.
[Imagem: John A. Rogers/Northwestern University]

Gerador triboelétrico

O gerador triboelétrico possui osciladores compostos por pares de placas de eletrodo interligadas, com um revestimento positivo de cobre em um lado e um revestimento negativo de filme de etileno propileno fluorado no outro. Quando o coração do paciente bate, o movimento faz com que os osciladores se comprimam, aproximando as placas de cargas opostas. Quando se separam, os minúsculos movimentos criam uma carga elétrica que alimenta o marcapasso diretamente ou é armazenada em um pequeno capacitor dentro do implante.

Os testes de laboratório mostraram que o nanogerador é capaz de produzir 276,6 microwatts por centímetro cúbico. Essa potência não só é suficiente para operar o marcapasso, como também é significativamente maior do que a de soluções piezoelétricas e triboelétricas miniaturizadas anteriores.

Para testar o dispositivo, a equipe implantou um protótipo em um porco, observando seu desempenho e biocompatibilidade durante um mês. O nanogerador forneceu energia suficiente para a estimulação cardíaca durante os testes funcionais, sem reações adversas além daquelas observadas em marcapassos intracardíacos convencionais alimentados por bateria.

O porco ficou vivo e bem, mas ainda há desafios a superar para que a tecnologia possa ser testada em humanos.
[Imagem: Pengfei Chen et al. - 10.1126/sciadv.aef8903]

Trabalho a fazer

Ainda existem alguns desafios técnicos a serem superados antes que o marcapasso movido a oscilador esteja pronto para testes clínicos em humanos. Dentro do coração do porco, o nanogerador não atingiu o mesmo pico de potência que no laboratório porque o tecido cardíaco é um substrato macio, que amortece o movimento mecânico do oscilador. Outro problema envolve a necessidade de levar em conta o movimento natural do coração, que é mais um movimento de torção do que o movimento vertical que permite ao oscilador produzir o movimento máximo.

A equipe continuará aprimorando o projeto, e está otimista de que poderá superar os desafios de engenharia restantes. "Queremos descobrir como transferir o movimento mais irregular do coração para essa oscilação mecânica de forma eficiente," disse o professor Xudong Wang. "Isso nos levará ao nosso objetivo de demonstrar a geração de energia suficiente e estável a partir de corações in vivo."