Un pacemaker che si può alimentare da solo

Il dispositivo ha il potenziale di durare un’intera vita, riducendo i rischi e i costi associati alla sostituzione dei dispositivi quando le batterie si guastano.

 

 

 

Un team di ricercatori dell’Università del Wisconsin–Madison ha sviluppato un pacemaker impiantabile e senza batteria, che si carica in base al battito cardiaco del paziente.

Il dispositivo ha il potenziale di durare un’intera vita, riducendo i rischi e i costi associati alla sostituzione dei dispositivi quando le batterie si guastano.

Guidata da Pengfei Chen, ricercatore post-dottorato in scienza e ingegneria dei materiali presso l’UW–Madison, la ricerca appare nel numero del 19 agosto 2026 della rivista Science Advances.

“Per un dispositivo come questo, non si tratta solo di produrre energia. La densità di potenza è la parte più importante. Devi ottenere abbastanza potenza in un volume abbastanza piccolo,” dice Xudong Wang, professore di scienza e ingegneria dei materiali che supervisiona la ricerca di Chen.

“Con la nostra tecnologia, abbiamo raggiunto una densità di potenza di un ordine di grandezza superiore a quella dei nanogeneratori precedenti.”

Il progetto non è solo un esercizio teorico. I dispositivi alimentati da questi nanogeneratori potrebbero avere un impatto duraturo sul benessere del paziente.

“Questa tecnologia mostra un potenziale incredibile. Una delle sfide cliniche nella gestione dei pazienti con pacemaker è la necessità di procedure di sostituzione del generatore quando la batteria si esaurisce, il che comporta una rioperazione per sostituirla,” afferma il dottor Daniel Modaff, elettrofisiologo cardiaco presso l’UW Hospital and Clinics e coautore dell’articolo.

Non vedo l’ora di un mondo in cui potremo impiantare un singolo dispositivo che durerà per tutta la vita del paziente, e questo è un grande passo verso la realizzazione di questo sogno.”

Negli ultimi 70 anni, i pacemaker — dispositivi elettrici che stimolano il cuore a correggere battiti irregolari — si sono evoluti da dispositivi semplici e ingombranti che dovevano essere sostituiti ogni pochi anni a piccoli e sofisticati dispositivi microelettronici in grado di rilevare i ritmi cardiaci e regolarsi al volo.

Per molti decenni, il pacemaker trasvenoso, un piccolo dispositivo alimentato a batteria impiantato nel torace e collegato al cuore tramite cavi infilati nelle vene, è stato lo standard di cura.

Nel 2016 Il pacemaker intracardiaco senza piombo è entrato sul mercato. Questo piccolo dispositivo, contenuto in una capsula di titanio grande quanto una grande pillola vitaminica, viene guidato tramite catetere attraverso la vena femorale fino al cuore, dove viene impiantato all’interno del ventricolo destro.

Questo dispositivo avanzato offre tempi di recupero più rapidi, comporta meno complicazioni e non richiede un impianto nel torace del paziente.

Il pacemaker intracardiaco presenta un grande svantaggio. La sua batteria costituisce più della metà delle sue dimensioni e del suo peso, ma dura solo tra i sette e i dieci anni.

Una volta scarica la batteria, rimuovere l’impianto dall’interno del cuore del paziente è difficile, quindi il pacemaker scaduto viene spesso lasciato al suo posto quando ne viene inserito uno nuovo.

Questo è un problema per i pazienti più giovani che potrebbero aver bisogno di più sostituzioni del pacemaker nel corso della loro vita.

Ecco perché i ricercatori stanno cercando modi alternativi per alimentare questi dispositivi a lungo termine. Stanno esplorando tutto, dalle batterie al trizio ai nanogeneratori piezoelettrici (che producono elettricità se compressi o allungati) fino ai nanogeneratori triboelettrici (che producono energia quando due materiali carichi opposti entrano in contatto e poi si separano).

Finora, però, nessuno di questi minuscoli dispositivi riesce a produrre abbastanza energia per alimentare adeguatamente il pacemaker intracardiaco.

Basandosi su anni di esperienza nella produzione di dispositivi innovativi triboelettrici e bioelettronici impiantabili, Wang e Chen decisero di vedere se le loro tecniche potessero far avanzare la tecnologia dei pacemaker.

Per cominciare, limitarono la dimensione del loro dispositivo in modo che potesse infilarsi nel vano batterie del pacemaker intracardiaco senza piombo più comune, mantenendo però il dispositivo complessivo della stessa dimensione.

Per farlo, progettarono strutture triboelettriche oscillanti specializzate che potevano essere installate sopra e sotto il pacchetto elettronico situato al centro della corazza in titanio.

Gli oscillatori sono composti da coppie di piastre elettrodiche collegate tra loro, con un rivestimento positivo in rame da un lato e un rivestimento negativo di etilene propilene fluorurato sull’altro.

Quando il cuore di un paziente batte, il movimento fa comprimere gli oscillatori, unendo le piastre cariche opposte. Quando si separano, i piccoli movimenti creano una carica elettrica che alimenta il pacemaker o viene immagazzinata in un piccolo condensatore integrato.

Progettare questo piccolo dispositivo ha richiesto molti tentativi ed errori. “Abbiamo dovuto pensare a come bilanciare stabilità e flessibilità in modo che potesse oscillare milioni e milioni di volte ma mantenere il comportamento meccanico desiderato”, dice Chen.

“Dovevamo ottimizzare la posizione e la larghezza di ogni filo, e lo spessore di ogni piastra elettrodica e substrato.”

Nel frattempo, gli ingegneri hanno lavorato a stretto contatto con un team interdisciplinare per affrontare sia specifiche tecniche che mediche e far progredire la tecnologia verso la traduzione clinica.

Quel team includeva il Professor Bo Liu, biologo cardiovascolare presso la School of Medicine and Public Health dell’Università del Wisconsin; il dottor Eric Schmuck, esperto cardiaco di grandi animali presso il Centro per la Ricerca e l’Innovazione Biomedica sui Suini dell’UW–Madison; e il dottor Daniel Modaff, elettrofisiologo cardiaco presso l’UW Hospital and Clinics.

La loro attenzione ai dettagli ha dato i suoi frutti. I test di laboratorio mostrano che il nanogeneratore è in grado di produrre 276,6 microwatt per centimetro cubo.

Non solo è abbastanza potenza per far funzionare il pacemaker, ma offre anche una potenza significativamente superiore rispetto alle precedenti soluzioni miniaturizzate piezoelettriche e triboelettriche.

Per testare il dispositivo, il team impiantò un prototipo in un maiale, osservandone le prestazioni e la biocompatibilità per un mese.

Il nanogeneratore ha alimentato con successo la stimolazione cardiaca durante i test funzionali, senza reazioni avverse oltre a quelle dei pacemaker intracardiaci convenzionali alimentati a batteria.

Wang afferma che l’oscillatore è relativamente economico da produrre ed è meccanicamente abbastanza robusto da durare potenzialmente tutta la vita del pacemaker.

Il team ha registrato il dispositivo presso la Wisconsin Alumni Research Foundation, ma la commercializzazione e la distribuzione clinica probabilmente richiederanno anni.

Ci sono ancora alcune sfide tecniche da superare prima che il pacemaker alimentato da oscillatori sia pronto per gli studi clinici sull’uomo.

All’interno del cuore del maiale, il nanogeneratore non raggiunse lo stesso picco di potenza del laboratorio.

Questo perché il tessuto cardiaco è un substrato morbido, che attenua il movimento meccanico dell’oscillatore.

L’altro problema è tenere conto del movimento naturale del cuore, che è più un movimento di torsione che il movimento dritto su e giù che permette all’oscillatore di produrre il massimo movimento.

Wang e Chen continuano a perfezionare il progetto e sono ottimisti di poter superare le sfide ingegneristiche rimanenti.

“Vogliamo capire come trasferire efficacemente il movimento più irregolare del cuore in questa oscillazione meccanica,” afferma Wang.

“Questo porterà al nostro obiettivo dimostrando una generazione di energia sufficiente e stabile dai cuori in vivo.”

Schmuck, del Center for Biomedical Swine Research and Innovation, pensa che il nanogeneratore triboelettrico possa aprire una nuova strada per la cura cardiaca.

“Ciò che mi entusiasma di più di questa tecnologia non è semplicemente la sua capacità di alimentare un pacemaker, ma come potrebbe abilitare la prossima generazione di dispositivi cardiaci impiantabili,” afferma.

“Dal punto di vista traslazionale, una fonte di energia affidabile e autosufficiente offre agli sviluppatori di dispositivi maggiore libertà di progettare impianti più piccoli con capacità diagnostiche e terapeutiche avanzate. Man mano che continuiamo a muoverci verso cure cardiache più intelligenti e personalizzate, le tecnologie che raccolgono energia direttamente dal corpo potrebbero svolgere un ruolo cruciale nel portare queste innovazioni dal laboratorio al paziente.”

 

Joel Hallberg / UW–Madison