Un pacemaker azionato dal battito cardiaco potrebbe durare tutta la vita del paziente. / Heartbeat-Powered Pacemaker Could Last a Patient’s Lifetime

 Un pacemaker azionato dal battito cardiaco potrebbe durare tutta la vita del paziente. / Heartbeat-Powered Pacemaker Could Last a Patient’s Lifetime

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Gli scienziati hanno sviluppato un pacemaker senza batteria che potenzialmente può durare per tutta la vita di un paziente, riducendo i rischi ed i costi di sostituzione. In uno studio pubblicato su Science Advances, i ricercatori dell'Università del Wisconsin-Madison (UW-Madison) descrivono il primo pacemaker alimentato dal battito cardiaco, capace di generare energia sufficiente a rappresentare una valida alternativa ai dispositivi convenzionali alimentati a batteria. 

"Una delle sfide cliniche nella gestione dei pazienti con pacemaker è la necessità di sostituire il generatore quando la batteria si esaurisce, il che comporta un nuovo intervento chirurgico per la sua sostituzione", ha affermato il dottor Daniel Modaff, elettrofisiologo cardiaco presso l'UW Hospital and Clinics. "Non vedo l'ora che arrivi un mondo in cui potremo impiantare un singolo dispositivo che duri per tutta la vita del paziente, e questo è un grande passo avanti verso la realizzazione di questo sogno".

Per decenni, lo standard di cura è stato il pacemaker transvenoso, un dispositivo alimentato a batteria impiantato vicino alla clavicola con elettrodi inseriti in una vena fino al cuore. Nell'ultimo decennio, tuttavia, le cliniche hanno adottato sempre più spesso i pacemaker intracardiaci senza fili, impiantati direttamente all'interno del cuore. Questi dispositivi possono accelerare il recupero, ridurre alcune complicanze ed eliminare la necessità di un impianto toracico.

Il principale svantaggio è la batteria, che rappresenta più della metà delle dimensioni e del peso del dispositivo ed in genere dura solo 7-10 anni. Quando la batteria si scarica, il pacemaker viene spesso lasciato all'interno del cuore mentre se ne impianta uno nuovo, poiché la rimozione chirurgica può essere difficile e comporta rischi aggiuntivi. Questo può essere particolarmente problematico per i pazienti più giovani, che potrebbero aver bisogno di sostituire il pacemaker più volte nel corso della loro vita. 

Sebbene i ricercatori siano da tempo alla ricerca di alternative per alimentare questi pacemaker, nessuna è ancora riuscita a produrre energia sufficiente. Modaff e colleghi hanno progettato un nanogeneratore che ricava energia da oscillatori, ciascuno composto da una coppia di piastre elettrodiche caricate in modo opposto. Quando il cuore batte, il movimento avvicina e allontana le piastre, generando una carica elettrica che può alimentare direttamente il pacemaker od essere immagazzinata in un piccolo condensatore. 

"Abbiamo dovuto pensare a come bilanciare stabilità e flessibilità in modo che potesse oscillare milioni e milioni di volte mantenendo il comportamento meccanico desiderato", ha affermato Pengfei Chen, PhD, ricercatore post-dottorato in scienza ed ingegneria dei materiali presso l'Università del Wisconsin-Madison. "Abbiamo dovuto ottimizzare il posizionamento e la larghezza di ogni filo, nonché lo spessore di ogni piastra dell'elettrodo e del substrato."

Le prove di laboratorio hanno dimostrato che il nanogeneratore era in grado di produrre energia sufficiente per far funzionare il pacemaker, superando le prestazioni delle precedenti soluzioni miniaturizzate. I ricercatori hanno quindi impiantato il dispositivo in un maiale per un mese, dove ha fornito con successo la stimolazione cardiaca senza causare reazioni avverse aggiuntive rispetto ai pacemaker convenzionali alimentati a batteria. 

"Per un dispositivo come questo, non si tratta solo di produrre energia", ha affermato Xudong Wang, PhD, professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università del Wisconsin-Madison. "È necessario ottenere una potenza sufficiente in un volume sufficientemente piccolo. Con la nostra tecnologia, abbiamo raggiunto una densità di potenza in uscita di un ordine di grandezza superiore rispetto ai precedenti nanogeneratori."

Il progetto semplice dell'oscillatore ne rende la produzione relativamente economica, garantendo al contempo la robustezza meccanica necessaria per durare potenzialmente per tutta la vita del paziente. Tuttavia, diverse sfide ingegneristiche rimangono da affrontare prima che il dispositivo possa passare alla fase di sperimentazione clinica. 

Nel cuore del maiale, il nanogeneratore ha prodotto meno energia rispetto ai test di laboratorio. Il tessuto più morbido ne ha smorzato il movimento, mentre il complesso movimento del cuore ha impedito all'oscillatore di muoversi secondo lo schema verticale che produceva la massima potenza in condizioni di laboratorio. 

"Vogliamo capire come convertire in modo efficiente il movimento più irregolare del cuore in questa oscillazione meccanica", ha affermato Wang. "Questo ci porterà al nostro obiettivo, dimostrando una generazione di energia sufficiente e stabile dai cuori in vivo ". 

Mentre i ricercatori affrontano queste sfide e perfezionano il progetto del pacemaker, sperano di gettare le basi per una nuova generazione di dispositivi cardiaci autoalimentati che potrebbero eliminare la necessità di sostituire le batterie. 

"Da un punto di vista applicativo, una fonte di energia affidabile ed autosufficiente offre agli sviluppatori di dispositivi maggiore libertà nella progettazione di impianti più piccoli con capacità diagnostiche e terapeutiche migliorate", ha affermato Eric Schmuck, PhD, assistente professore di ricerca presso il Center for Biomedical Swine Research and Innovation dell'Università del Wisconsin-Madison. "Mentre continuiamo a progredire verso una cura cardiaca più intelligente e personalizzata, le tecnologie che ricavano energia direttamente dal corpo potrebbero svolgere un ruolo fondamentale nel portare queste innovazioni dal laboratorio al paziente."

ENGLISH

Scientists have developed a battery-free pacemaker with the potential to last a patient’s entire lifetime, reducing risks and costs of replacement. In a study published in Science Advances, researchers at the University of Wisconsin-Madison (UW-Madison) report the first heartbeat-powered pacemaker capable of generating enough energy to offer a feasible alternative to conventional battery-powered devices. 

“One of the clinical challenges in managing patients with pacemakers is the need for generator replacement procedures when the battery depletes, which involves reoperation to replace it,” said Daniel Modaff, MD, cardiac electrophysiologist at UW Hospital and Clinics. “I look forward to a world in which we can implant a single device that will last a patient’s lifetime, and this is a big step closer to realizing this dream.”

For decades, the standard of care has been the transvenous pacemaker, a battery-powered device implanted near the collarbone with leads threaded through a vein into the heart. Over the past decade, however, clinics have increasingly adopted leadless intracardiac pacemakers that are implanted directly inside the heart. These devices can speed recovery, reduce certain complications, and remove the need for a chest implant.

The main drawback is the battery, which accounts for more than half of the device’s size and weight and typically lasts just 7–10 years. When the battery is empty, the pacemaker is often left inside the heart as a new one is implanted, because surgical removal can be difficult and carries additional risks. This can be particularly problematic for younger patients who may need multiple pacemaker replacements over their lifetimes. 

Although researchers have long been looking for alternatives to power these pacemakers, none could yet produce enough energy. Modaff and colleagues designed a nanogenerator that harvests energy from oscillators, each made of a pair of oppositely charged electrode plates. As the heart beats, the motion brings the plates together and pulls them apart, generating an electrical charge that can either power the pacemaker directly or be stored in a small capacitor. 

“We had to think about how to balance stability and flexibility so it could oscillate millions and millions of times but maintain the desired mechanical behavior,” said Pengfei Chen, PhD, postdoctoral scholar in materials science and engineering at UW–Madison. “We had to optimize the placement and width of every wire, and the thickness of every electrode plate and substrate.”

Laboratory tests showed that the nanogenerator could generate enough energy to operate the pacemaker, outperforming previous miniaturized solutions. The researchers then implanted the device in a pig for one month, where it successfully provided cardiac stimulation without causing additional adverse reactions compared to conventional battery-powered pacemakers. 

“For a device like this, it’s not just about producing energy,” said Xudong Wang, PhD, professor of materials science and engineering at UW-Madison. “You need to get enough power in a small enough volume. With our technology, we achieved a power output density an order of magnitude higher than previous nanogenerators.”

The oscillator’s simple design makes it relatively inexpensive to produce while also providing the mechanical robustness needed to potentially last a patient’s lifetime. However, several engineering challenges remain before the device can advance to clinical trials. 

In the pig’s heart, the nanogenerator produced less energy than it did in laboratory tests. The softer tissue dampened its movement, while the heart’s complex motion prevented the oscillator from moving in the straight up-and-down pattern that produced its maximum output under laboratory conditions. 

“We want to figure out how to transfer the more irregular movement of the heart into this mechanical oscillation efficiently,” said Wang. “This will lead to our goal by demonstrating sufficient and stable energy generation from hearts in vivo.” 

As the researchers address these challenges and refine the pacemaker’s design, they hope to lay the groundwork for a new generation of self-powered cardiac devices that could eliminate the need for battery replacement. 

“From a translational standpoint, a reliable self-sustaining power source gives device developers greater freedom to design smaller implants with enhanced diagnostic and therapeutic capabilities,” said Eric Schmuck, PhD, research assistant professor at the Center for Biomedical Swine Research and Innovation at UW–Madison. “As we continue to move toward smarter, more personalized cardiac care, technologies that harvest energy directly from the body could play a critical role in bringing these innovations from the laboratory to the patient.”

Da:

https://www.insideprecisionmedicine.com/topics/translational-research/heartbeat-powered-pacemaker-could-last-a-patients-lifetime/?_hsenc=p2ANqtz-81loCcWWFelkja8PlI8he1KfTuQB3EoXEOVLNq8ug_J9bnukrYN-mHWxeIK-LKvd6HvUVslCyRDvZBc_Fe_0rPpW_7_823BuLkqu_kauyRKek5eIU&_hsmi=434166255