Патрик Мерсье из Массачусетского технологического института и его коллеги решили использовать естественный источник тока в одном из органов внутреннего уха млекопитающих – в улитке.

Ученые впервые смогли использовать естественную разность потенциалов во внутреннем ухе млекопитающих — биологическую «электрическую батарею» — для питания миниатюрного радиопередатчика, что открывает большие возможности для создания энергонезависимых имплантатов для человека, говорится в статье, которая будет опубликована в журнале Nature Biotechnology.

Имплантируемые приборы требуют достаточно большого количества энергии. Пациентам приходится либо мириться с необходимостью повторных операций для замены источников питания, либо использовать громоздкие беспроводные источники энергии. «Местные» источники энергии, такие как тепло тела или движение мышц нельзя использовать без внешних термо- или пьезоэлектрических устройств.

Рис. 1.

Патрик Мерсье (Patrick Mercier) из Массачусетского технологического института и его коллеги решили использовать естественный источник тока в одном из органов внутреннего уха млекопитающих — в улитке.

Этот орган представляет собой заполненную жидкостью и свернутую в спираль трубку и отвечает за восприятие звуков. Внутри трубка разделена мембраной, с одной ее стороны находится перилимфа с высокой концентрацией ионов натрия, а с другой — эндолимфа с большим содержанием ионов калия.

Между ними создается разность потенциалов от 70 до 100 милливольт, которую и решила использовать группа Мерсье.

Ученые провели серию экспериментов на морских свинках (Cavia porcellus) — у этих грызунов анатомия и физиология уха схожа с человеческой. Замеры показали, что улитка морских свинок генерирует ток от 14 до 28 микроампер с напряжением от 30 до 55 милливольт.

Полученная на выходе мощность этой «батарейки» с учетом сопротивления электродов и других ограничений составила от 1,1 до 6,3 нановатт.

Такая низкая сила тока и мощность поставила перед исследователями две проблемы.

• Первая из них заключалась в том, что электроника на базе транзисторов требует для работы напряжение как минимум в сотни милливольт.
• Вторая состояла в том, что даже самые энергоэффективные электронные схемы требуют мощности в сотни раз больше.

Ученые решили проблему, создав специальную схему, которая запускалась в работу извне, с помощью беспроводного микроволнового излучателя энергии (работающего по тому же принципу, что и беспроводные считыватели для бесконтактных карт в турникетах метро).

Антенна на микросхеме принимала энергию, схема начинала работать, потребляя мощность в сотни раз меньшую, чем существовавшие до сих пор схемы.

Во время эксперимента микрочип размером 9 на 11 миллиметров проработал на «ушном» электричестве грызуна в течение пяти часов, передавая на частоте 2,4 гигагерца данные о напряжении в улитке.

Исследователи не стали имплантировать сам чип, но они отмечают, что устройство вполне могло бы поместиться в полость среднего уха морской свинки. Кроме того, авторы статьи проверили, как электроды повлияли на слух — как оказалась, слух у грызунов понизился только в области около 23 килогерц.

«В будущем метод получения энергии из улитки может быть использован и для людей. Хирургическая имплантация устройств, таких как слуховые аппараты или протезы стремечка (косточки внутреннего уха), уже возможна с минимальным риском для нормального или остаточного слуха», — говорится в статье.

Хотя, отмечают ученые, риск для слуха при внедрении в улитку электродов велик, в некоторых случаях, например при некоторых разновидностях глухоты, выгоды от имплантации энергонезависимых устройств могут быть велики.