Studie zeigt erstmals einen innovativen batterielosen Herzschrittmacher erfolgreich bei Schweinen getestet
Unsere Herz hält einen Rhythmus durch seinen internen Schrittmacher aufrecht, der Sinusknoten (SA-Knoten) genannt wird, auch Sinusknoten genannt, der sich in der oberen rechten Kammer befindet. Dieser interne Schrittmacher setzt 60–100 Mal pro Minute elektrische Ladung frei und diese Energie löst Kontraktionen in den Herzmuskeln aus, die es unserem Herzen ermöglichen, Blut durch unseren Körper zu pumpen. Wenn wir älter werden oder eine Krankheit bekommen, ist dieser innere Schrittmacher nicht mehr in der Lage, das Herz richtig schlagen zu lassen. Unregelmäßiger Herzschlag wird auch durch eine sogenannte Arrhythmie verursacht, die die normale Herzfrequenz verlangsamt. Um diesen Verlust zu ersetzen, kann einem Patienten ein herkömmlicher Herzschrittmacher – ein batteriebetriebenes elektronisches Gerät – chirurgisch implantiert werden, um den Herzschlag zu regulieren und den Herzschlag gleichmäßig zu halten.
Ein traditioneller Herzschrittmacher
Das Gerät besteht aus einem batteriebetriebenen Impulsgenerator, der in der Nähe des Schlüsselbeins unter die Haut implantiert wird. Es hat auch isolierte Drähte, die das Gerät mit dem Herzen verbinden. Die elektronische Schaltung erzeugt elektrische Signale, die über Elektroden an das Herz abgegeben werden. Der Herzschrittmacher ist ein lebensrettendes Gerät; Eine wesentliche Einschränkung aktueller Herzschrittmacher besteht jedoch darin, dass sie aufgrund der begrenzten Lebensdauer der Batterie zwischen 5 und 12 Jahren nach dem ersten Einsetzen jederzeit ausgetauscht werden müssen. Die Implantation kann nur durch einen invasiven Eingriff unter örtlicher Betäubung erfolgen, was selbst eine Herausforderung darstellt, da die Brusthöhle eines Patienten geöffnet werden muss. Eine Operation ist nicht nur teuer, sondern erhöht auch das Risiko des Patienten für Komplikationen, Infektionen oder sogar Blutungen. Es wurde eine andere Art von winzigen Herzschrittmachern entwickelt, die über einen Katheter implantiert werden können, um eine Operation zu vermeiden, aber sie wird noch getestet.
Forscher haben sich auf das Bauen konzentriert Herzschrittmacher die alternativ natürliche Energie aus dem eigenen Herzschlag einer Person anstelle der Batterie verwenden könnte. Theoretisch müsste ein solcher Schrittmacher nicht ersetzt werden, sobald er in einen Patienten implantiert ist. Plutoniumbetriebene Herzschrittmacher wurden viele Jahrzehnte früher hergestellt. Das experimentelle Design neuer Herzschrittmacher war bisher mehreren Einschränkungen ausgesetzt – wie einer starren Designstruktur, die seine Leistung begrenzt, und Komplikationen bei der Miniaturisierung.
Ein innovativer batterieloser Herzschrittmacher mit einzigartigem Design
In einer neuen Studie veröffentlicht in ACS Nano Forscher des National Key Laboratory for Science and Technology, Shanghai, China, machten sich daran, einen neuartigen kleinen Schrittmacher zu entwickeln, der mit der Energie des eigenen Herzschlags betrieben werden kann, und testeten dieses Gerät erfolgreich an Schweinen. Das neue Gerät kann unter das Herz gesteckt werden und nicht wie bei herkömmlichen Herzschrittmachern in der Nähe des Schlüsselbeins. Der Herzschrittmacher basiert auf einer idealen Symbiose zwischen Herz und Gerät.
Das Design dieses neuen Herzschrittmachers wurde eingeleitet, indem zunächst ein kleiner flexibler Kunststoffrahmen hergestellt wurde. Dieser Rahmen wurde mit piezoelektrischen Schichten verbunden, die beim Biegen Energie erzeugen. Dieser Teil, der Energie-Harvester genannt wird, wurde auf einem Chip platziert. Das Gerät wurde Schweinen implantiert und es wurde beobachtet, dass der eigene Herzschlag der Tiere die Form des Rahmens verändern (biegen) konnte, wodurch genügend Energie (Leistung) erzeugt wurde, die einem batteriebetriebenen Herzschrittmacher entspricht. Der flexible Kunststoffrahmen des Geräts ermöglicht es, im Vergleich zu herkömmlichen Herzschrittmachern mit Hartschalengehäusen mehr Energie aus dem Herzen aufzunehmen.
Da der Mensch eine dem Schwein sehr ähnliche Physiologie hat, könnte dieser Schrittmacher auch beim Menschen gut funktionieren. Die Forscher weisen auf einige technische Probleme hin, die angegangen werden müssen, beispielsweise besteht das Gerät aus drei separaten Technologien – Energy Harvester, Schrittmacherchip und Drähte – die in ein Gerät integriert werden müssen. Weitere Tests an Tieren und dann am Menschen können die Langzeitstabilität des Geräts bestätigen. Eine solche Vorrichtung erfordert, wenn sie erfolgreich ist, nur einmal eine invasive Operation, wodurch das Komplikationsrisiko des Patienten verringert wird. Eine wesentliche Einschränkung dieses neuen Geräts könnte darin bestehen, dass Ärzte Patienten möglicherweise nicht aus der Ferne überwachen können, wie dies bei batteriebetriebenen Herzschrittmachern der Fall ist.
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Quelle (n)
NingL et al. 2019. Direkte Stromversorgung eines echten Herzschrittmachers durch natürliche Energie eines Herzschlags. ACS Nano. https://doi.org/10.1021/acsnano.8b08567
