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Inside a pig’s heart, a prototype pacemaker ran on the motion of the heartbeat for one month. The device, built by Pengfei Chen and professor Xudong Wang at the University of Wisconsin–Madison, is a triboelectric nanogenerator designed to fit inside the battery compartment of Medtronic’s Micra, a leadless pacemaker implanted directly in the heart.
Dans le cœur d’un porc, un prototype de pacemaker a fonctionné grâce au mouvement des battements pendant un mois. Le dispositif, conçu par Pengfei Chen et le professeur Xudong Wang, de l’université du Wisconsin–Madison, est un nanogénérateur triboélectrique destiné à prendre place dans le compartiment de la batterie du Micra de Medtronic, un pacemaker sans sonde implanté directement dans le cœur.
The engineering target is small but consequential. In the Micra, the battery makes up more than half the device’s size and weight, yet lasts only seven to 10 years. Removing a depleted pacemaker from inside the heart is difficult, so an expired implant is often left in place while another is inserted. For younger patients, that can mean several replacement procedures over a lifetime.
L’objectif technique est de petite taille, mais il pourrait avoir des conséquences importantes. Dans le Micra, la batterie représente plus de la moitié de la taille et du poids du dispositif, mais ne dure que sept à 10 ans. Retirer un pacemaker déchargé de l’intérieur du cœur est difficile ; un implant arrivé en fin de vie est donc souvent laissé sur place, tandis qu’un autre est inséré. Pour les patients plus jeunes, cela peut entraîner plusieurs interventions de remplacement au cours de leur vie.
The Wisconsin design places oscillating structures above and below the pacemaker’s electronics inside its titanium shell. Each structure contains electrode plates coated with copper on one side and a fluorinated polymer film on the other. As the heart beats, the plates are pushed together and then separate; their changing contact generates electricity, which can run the pacemaker or be stored in a small capacitor.
La conception du Wisconsin place des structures oscillantes au-dessus et au-dessous des composants électroniques du pacemaker, à l’intérieur de son enveloppe en titane. Chaque structure contient des plaques d’électrodes recouvertes de cuivre sur une face et d’un film polymère fluoré sur l’autre. Lorsque le cœur bat, les plaques sont comprimées puis se séparent ; la variation de leur contact produit de l’électricité, qui peut alimenter le pacemaker ou être stockée dans un petit condensateur.
Laboratory tests measured 276.6 microwatts per cubic centimeter, which the researchers describe as an order of magnitude higher than previous nanogenerator designs and sufficient to power the pacemaker. The prototype also powered cardiac stimulation in the pig without complications beyond those seen with conventional battery-powered pacemakers. But its output in the heart fell short of the laboratory peak: soft tissue dampened the motion, while the heart’s twisting movement differed from the straight compression that maximized generation on the test bench.
Les tests en laboratoire ont mesuré 276,6 microwatts par centimètre cube, une valeur que les chercheurs décrivent comme dix fois supérieure à celle des précédentes conceptions de nanogénérateurs et suffisante pour alimenter le pacemaker. Le prototype a également assuré la stimulation cardiaque chez le porc sans complications autres que celles observées avec les pacemakers conventionnels alimentés par batterie. Mais sa production dans le cœur est restée inférieure au niveau maximal mesuré en laboratoire : les tissus mous ont amorti le mouvement, tandis que le mouvement de torsion du cœur différait de la compression rectiligne qui maximisait la production sur le banc de test.
So what changes in practice? If the design can be refined and later validated in people, a single leadless pacemaker could potentially avoid repeated battery-replacement procedures. That prospect is still distant: the team is adapting the generator to the heart’s irregular motion, the device is at the prototype stage, and human clinical trials remain years away.
Qu’est-ce que cela change en pratique ? Si la conception peut être améliorée puis validée chez l’humain, un seul pacemaker sans sonde pourrait éventuellement éviter des interventions répétées pour remplacer la batterie. Cette perspective reste toutefois lointaine : l’équipe adapte le générateur aux mouvements irréguliers du cœur, le dispositif en est encore au stade du prototype et les essais cliniques chez l’humain sont encore éloignés de plusieurs années.