La nuova ricerca sulle batterie wireless ricaricabili mira a ridurre i rischi chirurgici

Illustrazione resa 3D di un uomo con un pacemaker. Credito: Adobe Stock. Tutti i diritti riservati.

5 giugno 2023

Di Jennifer Matthews

UNIVERSITY PARK, Pennsylvania – I ricercatori della Penn State stanno progettando una nuova batteria ricaricabile wireless per dispositivi elettronici biomedici, come i pacemaker cardiaci, che consentirà loro di essere caricati e gestiti senza la necessità di un intervento chirurgico invasivo.

"Vogliamo ottimizzare la progettazione della batteria e dei materiali e abbinarli alla ricarica wireless", ha affermato Feifei Shi, assistente professore di ingegneria energetica presso il Dipartimento di ingegneria energetica e minerale della famiglia John e Willie Leone alla Penn State. "Attualmente siamo limitati alla ricarica via cavo e la ricarica wireless è sicuramente il futuro."

I dispositivi biomedici ricreano funzioni fisiologiche nel corpo umano che alleviano il dolore cronico e migliorano notevolmente la qualità della vita, e negli ultimi decenni si è assistito a un’enorme crescita dell’elettronica e della tecnologia wireless che sostengono questa causa. Tuttavia, una sfida ancora aperta per i dispositivi medici è l’alimentazione elettrica. La maggior parte dei dispositivi elettronici impiantabili è alimentata da batterie primarie che hanno una durata limitata e devono essere caricate tramite cavi. Con la longevità umana ai massimi storici, gli scienziati hanno bisogno di un’alternativa più affidabile e più duratura alle batterie allo iodio di litio attualmente utilizzate.

"Dieci anni fa, questo non era il problema", ha detto Shi. "Ma oggigiorno le sostituzioni delle batterie sono molto più frequenti perché le persone vivono più a lungo."

Il primo pacemaker cardiaco impiantato utilizzava una batteria ricaricabile al nichel-cadmio. Furono quindi sviluppate le batterie allo zinco-mercurio, che durarono più di due anni. Ma niente ha funzionato così bene come la batteria al litio-iodio, inventata nel 1972. Queste batterie durano fino a 10 anni e sono il gold standard per molti produttori di pacemaker cardiaci. I problemi sorgono, tuttavia, quando le persone sopravvivono alle batterie del pacemaker, a volte per decenni. Gli interventi di sostituzione della batteria, sebbene relativamente sicuri, non sono esenti da rischi, soprattutto in età avanzata. Questi rischi includono infezioni, coaguli di sangue, danni ai vasi sanguigni o ai nervi, collasso polmonare e perforazione cardiaca.

Per contribuire a risolvere questo problema, Shi ha ricevuto una sovvenzione di 150.000 dollari da Johnson & Johnson per un progetto triennale volto a sviluppare una batteria ricaricabile con la possibilità di essere caricata in modalità wireless. Il risultato sarà una batteria ad alta capacità, unica nel suo genere, ricaricabile a distanza, all’interno del corpo umano. Questo nuovo sistema di batterie ricaricabili ha il potenziale per eliminare il rischio di infezioni e altre complicazioni associate alla chirurgia e fornire un’alimentazione più stabile e duratura per consentire l’integrazione di più sensori diagnostici sanitari nei dispositivi medici implementati. In caso di successo, ha detto Shi, crede che questo progetto salverà vite umane, minimizzerà la sofferenza, ridurrà i costi e innescherà la prossima rivoluzione nei dispositivi medici implementabili.

Il primo passo sarà quello di adottare un metodo di ricarica wireless non commerciale esistente che sia bio-sicuro e possa penetrare nel tessuto muscolare, rendendo possibile la ricarica all’interno del corpo. Per fare ciò, eseguiranno test su piccola scala su alcuni prototipi per trovare la chimica ottimale per questo tipo di batteria.

"Le ricerche precedenti generalmente dimostrano la ricarica wireless di una lampadina o di un condensatore, ma non hanno mai dimostrato che possano caricare una batteria", ha detto Shi. "C'è differenza tra accendere una lampadina e un test reale di utilizzo e invecchiamento."

Il secondo compito sarà l'ottimizzazione strutturale. Il dispositivo dovrà essere minuscolo e il recettore dovrà essere integrato, il che è un concetto nuovo, ha spiegato Shi.

"Voglio pensare alla batteria nel suo insieme e pensare a ogni suo componente, non si tratta solo delle prestazioni della batteria", ha detto Shi. "Stiamo iniziando da zero, non esiste nulla di simile, quindi abbiamo molta libertà. Questo è positivo perché se lavorassimo sulla tecnologia esistente, non avremmo troppo spazio per giocare. Questo ci dà di più opportunità per inventare qualcosa di nuovo, qualcosa di più utile per la società."