当传统治疗失败时，植入式深部脑刺激器可以帮助许多患有神经和精神疾病的人。但是每次需要更换电池时进行手术是一个主要缺点。现在，康涅狄格大学的研究人员在Cell Reports Physical Sciences中报告了一种使用人自己的呼吸运动为设备充电的新方法。
深部脑刺激器正变得越来越普遍，每年约有 150,000 台新设备被植入。它们通常被放置在胸部区域的皮下，并将它们的电极植入大脑中。电极每秒用电脉冲多次电击大脑，以调节大脑的异常电活动。
深部脑刺激器可以帮助患有帕金森病和其他运动障碍的人重新控制他们的肌肉运动。研究还表明，该技术可以显着减轻精神疾病的症状，例如难治性抑郁症和强迫症。
就像起搏器一样，深部脑刺激器由电池供电。虽然大多数起搏器电池的使用寿命为 7 至 10 年，但由于其高能耗，深部脑刺激器电池通常需要每 2 至 3 年更换一次。每次更换电池都需要手术。
康涅狄格大学的化学家 Esraa Elsanadidy、Islam Mosa、James Rusling 和他们的合作者开发了一种无需更换电池的深层大脑刺激器。
新设备不是电池，而是将用户呼吸时胸部的运动转换为电能。当人吸气和呼气时，胸壁会压在一个非常小而薄的发电机上，称为摩擦电纳米发电机。纳米发电机将这种运动转化为静电。
这个概念类似于在你的衬衫上摩擦一个气球，然后把它放在墙上粘在那里。墙壁和气球具有不同的静电荷并相互粘连。来自更负性材料的电荷会粘在更正性材料上，并且在脑深部刺激器的摩擦纳米发电机中，这会产生为超级电容器充电的电流。超级电容器通过放电为医疗设备供电并刺激大脑。
“我们使用新的纳米材料制造了我们的摩擦纳米发电机，当它们相互接触时会产生显着的能量输出，足够的能量来运行深部脑刺激器，”Elsanadidy 说。
“我们希望以通常的方式使其与其他可用技术相适应。原则上，如果有人已经有一个深部脑刺激器，我们可以用这个发电机更换电池，而不必用全新的方式对其进行改造设备，”康涅狄格大学化学家 Jim Rusling 说。
该团队通过将他们的摩擦纳米发电机嵌入一头模拟猪的胸部来测试该设备，该猪的肺与泵相连。当猪的肺在吸气和呼气过程中膨胀和放气时，它会推动纳米发电机，使纳米发电机内部的两层摩擦，并产生电能。
电流通过细线为超级电容器充电，超级电容器为放置在胸腔外的深部脑刺激器电子设备供电。大脑刺激器使用存储在超级电容器中的电力每秒产生 60 次脉冲，就像在商业设备中一样。
“这是第一个结合所有部分的系统;高效的能量收集、能量存储和受控的大脑刺激器。我们证明了我们的自我可持续的深部脑刺激器可以通过交替的刺激期和无刺激期来间歇性地刺激脑组织这是治疗精神疾病的一种有效的深部脑刺激方法，”莫萨说，他也是 VoltXon 的首席技术官，VoltXon 是 UConn 技术孵化器计划的一家公司，该公司正在将该系统商业化。下一步将是在大型动物身上试用该设备。