Оперативные медицинские вмешательства травматичны для пациентов и критически опасны для людей пожилого возраста. Ферментный биотопливный элемент — это устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую при помощи биокатализаторов. Образование электронов на аноде происходит за счет окисления ферментом. То есть, механизм работает за счет окисления глюкозы. При разработке устройства студентка использовала стент для установки электрохимического элемента в сосуд малоинвазивным способом. Инсталляция происходит путем ангиопластики: через прокол в вене или артерии. Стент (специальный каркас, который помещается в просвет коронарных сосудов сердца или жёлчного протока, и обеспечивает расширение участка) вводится в сосуд и при попадании в нужное место раздувается специальным баллоном.
По словам ученых МФТИ, использование такого элемента можно в полной мере назвать инструментом здоровьесбережения. Операция по установке устройства не предполагает обширного хирургического вмешательства: инсталляция происходит посредством стента. К слову, хирургическое вмешательство при проведении замены кардиостимулятора длится около часа. Врач делает небольшой надрез кожи, старый кардиостимулятор отсоединяют от электродов и извлекают из кармана между мышц. На его место помещают новый электрокардиостимулятор и подключают к тем же электродам. Затем проводят тест работы устройства и накладывают швы на надрез.
«Использование биотопливного элемента (БТЭ) позволит предотвратить подобные оперативные вмешательства по замене аккумулятора, так как механизм использует в качестве топлива глюкозу из организма, концентрация которой поддерживается постоянной благодаря гомеостазу. Имплантация посредством стента и вовсе исключает проведение открытой операции. Из перспективных наиболее безопасных способов решения проблемы можно выделить беспроводную зарядку устройства, однако это будет сопровождаться нагреванием окружающих тканей, что не очень благоприятно для организма», — рассказала автор проекта, магистрантка Физтех-школы природоподобных, плазменных и ядерных технологий имени И. В. Курчатова Екатерина Вахницкая.
Ферментный биотопливный элемент смогут использовать пациенты, которые применяют активные имплантаты, а также люди, страдающие сахарным диабетом — для питания биосенсоров и других датчиков. Полезна разработка, по словам студентки, и научному сообществу — устройство может выступить в качестве модели для создания других биомедицинских устройств.
«Биотопливный элемент преобразует химическую энергию органических веществ в электрическую посредством электрохимической реакции. Он состоит из электролита, анода и катода. Принцип работы элемента заключается в окислении топлива на аноде с высвобождением электронов и протонов. Затем протоны проникают через раствор электролита к катоду, а электроны проходят через внешнюю цепь, к которой приложена нагрузка. После чего электроны переносятся на катод, где они используются вместе со свободными протонами для восстановления кислорода до воды», — пояснила Екатерина Вахницкая.
Проект «Разработка ферментного биотопливного элемента, интегрированного в стент для сосудистой хирургии» стал победителем конкурса УМНИК и получил грант в размере 500 тысяч рублей. Сейчас Екатерина Вахницкая работает над усовершенствованием конструкции биотопливного элемента. В ближайшее время студентка МФТИ намерена провести тестовые испытания in vitro (в искусственных условиях, вне организма или естественной среды).
