新しいワイヤレス充電式バッテリーの研究は、手術のリスクを軽減することを目的としています

2023 年 6 月 5 日

ジェニファー・マシューズ

ペンシルベニア州ユニバーシティパーク — ペンシルベニア州立大学の研究者らは、心臓ペースメーカーなどの生体医療電子機器用の新しいワイヤレス充電式バッテリーを設計中です。これにより、侵襲的な手術を必要とせずに充電および管理できるようになります。

「私たちはバッテリーと材料設計を最適化し、それをワイヤレス充電と組み合わせたいと考えています」とペンシルベニア州立大学のジョン・アンド・ウィリー・レオーネ・ファミリー学部エネルギー鉱物工学部のエネルギー工学助教授フェイフェイ・シー氏は語った。「現時点ではケーブル充電に限定されており、ワイヤレス充電が間違いなく未来です。」

生物医学機器は人体の生理学的機能を再現し、慢性的な痛みを軽減し、生活の質を大幅に向上させます。また、過去数十年間で、この目的を擁護するエレクトロニクスおよびワイヤレス技術が大幅に成長しました。しかし、医療機器にとって残りの課題は電源です。ほとんどの埋め込み型電子機器は、寿命が限られている一次電池で駆動されており、ケーブルを使用して充電する必要があります。人間の寿命が過去最高を記録しているため、科学者は現在使用されているヨウ素リチウム電池に代わる、より寿命が長く、より信頼性の高い代替電池を必要としています。

「10年前、これは問題ではありませんでした」とシー氏は語った。「しかし現在では、人々の寿命が延びているため、バッテリーの交換頻度がはるかに高くなっています。」

最初の植込み型心臓ペースメーカーはニッケルカドミウム充電式電池を使用しました。その後、亜鉛水銀電池が開発され、2 年以上持続しました。しかし、1972 年に発明されたヨウ素リチウム電池ほど優れた性能を発揮するものはありませんでした。これらの電池は最長 10 年間持続し、心臓ペースメーカーの多くのメーカーにとってゴールドスタンダードとなっています。しかし、人々がペースメーカーの電池の寿命を超え、場合によっては数十年も寿命を迎えると、問題が発生します。バッテリー交換手術は比較的安全ではありますが、特に高齢者の場合にはリスクがないわけではありません。これらのリスクには、感染症、血栓、血管や神経の損傷、肺虚脱、心臓穿孔などが含まれます。

この問題の解決を支援するために、Shi 氏はワイヤレス充電機能を備えた充電式バッテリーを開発する 3 年間のプロジェクトに対して、ジョンソン・エンド・ジョンソンから 15 万ドルの助成金を受け取りました。その結果、人体内に遠隔充電可能な初めての高容量バッテリーが誕生します。この新しい充電式バッテリーシステムは、手術に伴う感染症やその他の合併症のリスクを排除し、より安定した耐久性のある電源を提供して、より多くの健康診断センサーを実装された医療機器に統合できる可能性を秘めています。 Shi氏は、もし成功すれば、このプロジェクトは命を救い、苦しみを最小限に抑え、コストを削減し、実行可能な医療機器の次の革命を引き起こすと信じていると語った。

最初のステップは、生体に安全で筋肉組織に浸透できる既存の非商用ワイヤレス充電方式を採用し、体内での充電を可能にすることです。これを行うために、彼らはいくつかのプロトタイプで小規模なテストを実行し、このタイプのバッテリーに最適な化学的性質を見つけます。

「過去の研究では一般に、電球やコンデンサーによるワイヤレス充電が実証されていますが、バッテリーを充電できることは実証されていません」とShi氏は述べた。「電球に点火することと、実際の使用および老化テストとは異なります。」

2 番目のタスクは構造の最適化です。デバイスは小型である必要があり、受容体は統合される必要があるが、これは新しい概念であるとShi氏は説明した。

「私はバッテリーを全体として考え、そのすべてのコンポーネントについて考えたいと思っています。これはバッテリーの性能だけの問題ではありません」とShi氏は語った。「私たちはゼロからのスタートであり、このようなものは存在しないため、多くの自由があります。これは良いことです。なぜなら、既存のテクノロジーに取り組んでいた場合、プレイできるスペースがあまりにも多くないからです。これにより、より多くのことが私たちに与えられます」何か新しいもの、社会にとってより役立つものを発明する機会です。」

最大の課題は安全性とバッテリー寿命だ、とシー氏は語った。理想的には、20年か30年の暦寿命を持ち、人体に安全なものを開発したいと彼女は語った。

「もし車が燃えたら、逃げてもいいよ」と施さんは言う。「しかし、体内にまったくアクセスできないものがある場合、それは信頼できるものでなければならないため、安全性が最優先であり、最も複雑です。」

Shi 氏は、電池開発における自身の経歴と経験、および他の研究者との共同研究により、生物医学用電池技術を再定義する電池を作成できるようになることを期待していると述べました。

「バッテリーの側面とワイヤレス充電の側面の両方から、私の最終的な目標は、本体内でワイヤレス充電に対応できるより優れたバッテリーをカスタマイズすることです」とShi氏は述べました。「私の研究分野は非常に狭い一角にすぎず、健康と医療機器は学際的な研究分野です。これを実現するには多くの人の協力が必要です。」

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