Nova pesquisa de bateria recarregável sem fio visa reduzir riscos cirúrgicos

Ilustração 3D renderizada de um homem com um marca-passo. Crédito: Adobe Stock. Todos os direitos reservados.

5 de junho de 2023

Por Jennifer Matthews

UNIVERSITY PARK, Pa. — Pesquisadores da Penn State estão projetando uma nova bateria recarregável sem fio para eletrônicos biomédicos, como marcapassos cardíacos, que permitirá que sejam carregados e gerenciados sem a necessidade de cirurgia invasiva.

"Queremos otimizar a bateria e o design dos materiais e acoplá-los ao carregamento sem fio", disse Feifei Shi, professor assistente de engenharia de energia no Departamento de Energia e Engenharia Mineral da Família John e Willie Leone na Penn State. "Atualmente, estamos limitados ao carregamento por cabo e o carregamento sem fio é definitivamente o futuro."

Dispositivos biomédicos recriam funções fisiológicas no corpo humano que aliviam a dor crônica e melhoram muito a qualidade de vida, e nas últimas décadas houve um tremendo crescimento na eletrônica e na tecnologia sem fio que defendem essa causa. No entanto, um desafio remanescente para dispositivos médicos é a fonte de alimentação. A maior parte dos dispositivos eletrônicos implantáveis ​​é acionada por baterias primárias que têm uma vida útil limitada e devem ser carregadas usando cabos. Com a longevidade humana em alta, os cientistas precisam de uma alternativa mais duradoura e confiável para as baterias de iodo de lítio usadas atualmente.

"Dez anos atrás, esse não era o problema", disse Shi. "Mas hoje em dia, as substituições de baterias são muito mais frequentes porque as pessoas estão vivendo mais."

O primeiro marcapasso cardíaco implantado usava uma bateria recarregável de níquel-cádmio. Foram então desenvolvidas baterias de zinco-mercúrio, que duraram mais de dois anos. Mas nada funcionou tão bem quanto a bateria de iodo de lítio, inventada em 1972. Essas baterias duram até 10 anos e são o padrão-ouro para muitos fabricantes de marca-passos cardíacos. Os problemas surgem, no entanto, quando as pessoas sobrevivem às baterias de seus marcapassos, às vezes por décadas. As cirurgias de substituição de baterias, embora relativamente seguras, não são isentas de riscos, especialmente em idade avançada. Esses riscos incluem infecção, coágulos sanguíneos, danos aos vasos sanguíneos ou nervos, colapso dos pulmões e perfuração cardíaca.

Para ajudar a resolver esse problema, Shi recebeu uma doação de $ 150.000 da Johnson & Johnson para um projeto de três anos para desenvolver uma bateria recarregável com a capacidade de ser carregada sem fio. O resultado será a primeira bateria carregável remotamente e de alta capacidade dentro do corpo humano. Este novo sistema de bateria recarregável tem o potencial de eliminar o risco de infecção e outras complicações associadas à cirurgia e fornecer uma fonte de alimentação mais estável e durável para permitir que mais sensores de diagnóstico de saúde sejam integrados em dispositivos médicos implementados. Se for bem-sucedido, disse Shi, ela acredita que este projeto salvará vidas, minimizará o sofrimento, reduzirá custos e desencadeará a próxima revolução em dispositivos médicos implementáveis.

O primeiro passo será adotar um método de carregamento sem fio não comercial existente que seja biosseguro e possa penetrar no tecido muscular, tornando possível o carregamento dentro do corpo. Para fazer isso, eles farão testes em pequena escala em alguns protótipos para encontrar a química ideal para esse tipo de bateria.

"Pesquisas anteriores geralmente demonstram o carregamento sem fio em uma lâmpada ou um capacitor, mas nunca demonstraram que podem carregar uma bateria", disse Shi. "Há uma diferença entre acender uma lâmpada e um teste real de uso e envelhecimento."

A segunda tarefa será a otimização estrutural. O dispositivo precisará ser minúsculo e o receptor precisará ser integrado, o que é um conceito novo, explicou Shi.

"Quero pensar na bateria como um todo e pensar em cada componente dela, não apenas no desempenho da bateria", disse Shi. "Estamos começando do zero, não existe nada assim, então temos muita liberdade. Isso é bom porque se estivéssemos trabalhando em tecnologia existente, não temos muito espaço para jogar. Isso nos dá mais oportunidades para inventar algo novo, algo mais útil para a sociedade”.