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Dartmouth發表心律調整器自我充電模組造福植入式生物醫學裝置

Dartmouth研究團隊發表能讓植入式生物醫學裝置自我充電的生物相容模組。Thayer School of Engineering at Dartmouth

Dartmouth工程研究人員與UT Health San Antonio臨床醫師的團隊發表極具應用潛力的研究成果,以創新、精簡的方式讓心律調整器(pacemaker)與其它植入式生物醫學裝置得以自我充電,在病患存活期間持續運作,相關模組並可做為收集資料的感測器以即時監測病患狀況。

根據Engineering at Dartmouth報導,目前全球每年植入逾100萬個心律調整器,但每隔5~10年即需要額外的手術以更換電池。自我永續發電可大幅延長心律調整器與心臟電擊去顫器等(defibrillator)植入式生物醫學裝置的壽命與效力,但目前尚缺乏能極小化影響心血管功能風險、且能有效將心跳機械能轉換為電力的潛力技術。

Dartmouth團隊的研究成果發表於2019年2月出版的Advanced Materials Technologies期刊,探討結合薄膜能源轉換材料與最低侵入式的機械設計,發展適用於心律調整器與心臟電擊去顫器等各種植入式生物醫學裝置的可自我充電(self-charging)架構,能在病患存活期間讓裝置不間斷運作,而不需要透過手術更換電池,解決供電的終極問題。

自我發電裝置首先必須符合生物相容性(biocompatible)、具可撓性、輕量、微型化,才不會影響病患身體的正常功能,以利整合至目前的植入式生物醫學裝置,並具備支援未來多功能的擴充性,因此研究團隊成員還包括Dartmouth的薄膜架構機械部件工程教授與UT Health San Antonio的臨床心臟病專家。

研究小組將現有心律調整器連接心臟的引線以微型傳動桿或雙懸臂(dual cantilever)架構結合彈性多孔的PVDF-TrFE(polyvinylidene fluoride trifluoroethylene)特殊聚合物構成的壓電(piezoelectric)薄膜包覆,成為可將心跳的機械動能轉換為電力的精簡能源收集模組,以持續為心律調整器的電池充電。首輪動物實驗成果豐碩,研究團隊近期內將發表報告。

這項研究顯示透過心律調整器的引線收集心跳動能可轉換足夠的電力維持心律調整器運作,特別是從低頻震動部分如1Hz的頻率下最高電力輸出可達0.5 V與43 nA。而在供電的可擴充性方面,若在雙懸臂端加上31.6 mg的振動質塊(proof mass)則電力輸出可增強至1.82倍;此外並連兩組能源收集模組同時震動,也有助於能源轉換效率。

Dartmouth團隊的研究目前已進行3年,由NIH Director為期5年的Transformative Research Award計畫資助,加上完成臨床前程序與取得監管機關批准所需時間,預計自我充電心律調整器上市還需約5年的時間。許多主要的醫療科技公司已表達合作意願,研究團隊的部分成員正在學習業務與技術轉移技巧,將成為推動進入創業階段的合夥人。

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