Инъекционная антенна: беспроводная энергия для имплантов

Новая разработка ученых из MIT Media Lab — это крошечная инъекционная антенна, размером с песчинку, способная безопасно передавать энергию на медицинские импланты, расположенные глубоко в тканях тела. Эта технология открывает путь к созданию минимально инвазивных биоэлектрических устройств, работающих без проводов внутри организма, что особенно важно для таких имплантов, как кардиостимуляторы, или нейромодуляторы для лечения эпилепсии и болезни Паркинсона.

"Это следующий крупный шаг в миниатюризации глубоко расположенных имплантов," – отмечает Баю Джой, студентка-аспирантка из исследовательской группы Nano-Cybernetic Biotrek в MIT Media Lab. "Она позволяет создавать импланты без батарей, которые можно устанавливать с помощью обычной иглы, избегая необходимости в крупной хирургической операции."

Существующие решения для питания глубоко расположенных имплантов включают либо миниатюрную батарею, требующую периодической замены, либо миниатюрную же магнитную катушку для беспроводной передачи энергии. Однако последний метод работает только на высоких частотах, что может приводить к перегреву тканей. Этот фактор ограничивает мощность, которую можно безопасно передать, особенно когда имплант имеет размер менее миллиметра.

"При достижении этого предела начинаются повреждения клеток," – поясняет Джой. Разработка антенны ультрамалых размеров (менее 500 микрометров), эффективно работающей в низкочастотном диапазоне, представляет собой значительную техническую проблему.

Разработанная антенна, размером всего 200 микрометров, функционирует на низкой частоте (109 кГц) благодаря уникальной технологии. В ее основе лежит комбинация магнитострикционного и пьезоэлектрического слоев. Магнитострикционный слой деформируется под воздействием магнитного поля, а пьезоэлектрический слой преобразует эту деформацию в электрический заряд. При воздействии переменного магнитного поля, магнитные домены в магнитострикционном слое сжимаются и растягиваются, подобно тому, как это происходит с металлизированной тканью под действием сильного магнитного поля. Механическое напряжение в магнитострикционном слое заставляет пьезоэлектрический слой генерировать электрические заряды между расположенными сверху и снизу электродами.

"Мы используем эти механические вибрации для преобразования магнитного поля в электрическое," – говорит Джой. По словам профессора Деблины Саркар, новая антенна обеспечивает в четыре-пять порядков более высокую мощность по сравнению с имплантируемыми антеннами аналогичного размера, использующими металлические катушки и работающими в гигагерцовом диапазоне.

"Наша технология обладает потенциалом для создания нового класса минимально инвазивных биоэлектрических устройств, которые могут работать без проводов глубоко внутри человеческого тела," – подчеркивает Саркар. Магнитное поле, активирующее антенну, создается устройством, напоминающим беспроводное зарядное устройство для телефона. Оно достаточно компактно, чтобы крепиться к коже как пластырь или носиться в кармане рядом с телом.

Поскольку антенна изготавливается с использованием той же технологии, что и микрочипы, она легко интегрируется с существующей микроэлектроникой. "Эти электронные компоненты и электроды могут быть сделаны значительно меньше самой антенны, и они будут интегрированы во время нанофабрикации," – отмечает Джой. Исследователи опираются на 50 лет разработок в области миниатюризации транзисторов и другой электроники. "Остальные компоненты могут быть крошечными, и вся система может быть установлена с помощью инъекции."

Производство таких антенн может быть легко масштабировано, а несколько антенн и имплантов можно будет вводить для воздействия на большие участки тела. Помимо стимуляции сердца и нейромодуляции, эта технология может найти применение в системах непрерывного мониторинга уровня глюкозы в организме. Существующие оптические сенсоры для измерения глюкозы выиграют от наличия беспроводного источника питания, который можно безопасно интегрировать внутрь тела.