Миниатюризация, биосовместимость и долговечность представляют собой ключевые проблемы для аккумуляторов имплантируемые медицинские устройстваИнженеры должны проектировать источники питания, соответствующие строгим требованиям к размерам и обеспечивающие высокую производительность. Безопасность пациентов зависит от надёжной подачи энергии и материалов, не вызывающих иммунных реакций. В настоящее время отрасль отдаёт предпочтение передовым решениям на основе лития для имплантируемых устройств, заменяя устаревшие химические соединения и повышая надёжность устройств.
Основные выводы
Миниатюризация имеет решающее значение. Инженеры должны разрабатывать аккумуляторы, которые помещаются в ограниченном пространстве без потери производительности. Компактные аккумуляторы повышают удобство использования устройств.
Биосовместимость крайне важна для безопасности пациентов. Выбор материалов, не вызывающих иммунных реакций, обеспечивает надёжность имплантируемых устройств.
Долговечность влияет на расходы и качество ухода за пациентами. Более долговечные батареи снижают потребность в замене, что выгодно как пациентам, так и системам здравоохранения.
Усовершенствованные литиевые компоненты повышают производительность. Эти решения обеспечивают более высокую плотность энергии и более длительный срок службы, что делает их идеальными для медицинского применения.
Сотрудничество — движущая сила инноваций. Партнёрство производителей, экспертов по аккумуляторам и учёных приводит к созданию лучших решений для имплантируемых устройств.
Часть 1: Аккумуляторы для имплантируемых медицинских устройств
1.1 Миниатюризация
Миниатюризация остаётся основной проблемой при разработке аккумуляторов для имплантируемых медицинских устройств. Инженеры должны разрабатывать источники питания, которые помещаются в чрезвычайно компактные корпуса без ущерба для плотности энергии и надёжности. Самые маленькие коммерчески доступные аккумуляторы, такие как Contego 1.5 мА·ч, имеют длину всего 0.299 дюйма (0.114 см) и диаметр XNUMX дюйма (XNUMX см). Эти аккумуляторы имеют герметичные титановые корпуса и тепловые сепараторы, что позволяет использовать их в современных нейромодуляторах и мониторах. Микроаккумуляторы, такие как EaglePicher, обеспечивают дальнейшее уменьшение габаритов для нейростимуляции.
Примечание: Размер батареи напрямую влияет на общую конструкцию и функциональность имплантируемого устройства. химия на основе лития, включая литий-металлические и литий-ионные (LCO, NMC, LMO, LTO, твердотельные), имеют ограничения по сроку службы и форм-фактору. Тритиевые батареи с продолжительность жизни более 20 лет, позволяют создавать более компактные и универсальные конструкции.
Вызов | Описание |
|---|---|
Ограничения традиционных батарей | Традиционные химические батареи, особенно литиевые, имеют конечный срок службы и ограничения по размерам. |
Надежность источника питания | Надежные источники питания имеют решающее значение для стабильной работы устройства. |
Влияние на конструкцию устройства | Размер батареи влияет на конструкцию и производительность имплантируемых медицинских устройств. |
1.2 Биосовместимость
Биосовместимость гарантирует, что батареи не вызовут побочных реакций у пациента. Выбор материала играет решающую роль в достижении этой цели. Производители используют композитные гелевые электролиты на основе желатина/поликапролактона в цинк-ионных аккумуляторах, которые обеспечивают хорошую биосовместимость и разлагаемость. Проводящие полимеры и гидрогелевые электролиты обеспечивают гибкость и совместимость с цинк-воздушными аккумуляторами. Нанопористое золото Служит каталитическим катодом, а сплавы на основе натрия — анодами, демонстрируя превосходную биосовместимость. Сплавы на основе цинка и магния также биоразлагаемы и подходят для имплантации.
Композитный гелевый электролит желатин/поликапролактон
Проводящие полимеры для цинк-воздушных аккумуляторов
Гидрогелевые электролиты для гибкости
Нанопористые сплавы на основе золота и натрия
Биоразлагаемые материалы на основе цинка и магния
1.3 Долголетие
Срок службы определяет цикл замены и общую стоимость имплантируемых медицинских устройств. Срок службы большинства аккумуляторов составляет от 5 до 25 лет в зависимости от типа устройства и интенсивности использования. Имплантируемые кардиовертеры-дефибрилляторы обычно служат около 10.8 лет, а некоторые подтипы достигают 11 лет. На срок службы батареи влияют такие факторы, как производитель, время имплантации, режим и процент стимуляции. Размер устройства и количество разрядов оказывают минимальное влияние.
фактор | Влияние на долголетие |
|---|---|
Производитель | Зависит от бренда |
Время имплантации | Влияет на срок службы батареи |
Режим стимуляции | Влияет на потребление энергии |
Процент стимуляции | Более частое использование снижает долговечность |
Интервал реформации конденсатора | Влияет на производительность батареи |
Размер устройства | Нет значительного влияния |
Количество ударов | Нет значительного влияния |
Выбор химического состава и конструкции аккумулятора напрямую влияет на безопасность пациента и надежность устройства. Инженерам необходимо найти баланс между миниатюризацией, биосовместимостью и долговечностью, чтобы соответствовать требованиям современных имплантируемых медицинских устройств и сферам их применения.
Часть 2: Миниатюризация имплантируемых устройств
2.1 Ограничения по размеру
Аккумуляторы в имплантируемых медицинских устройствах сталкиваются со значительными ограничениями по размеру. Инженерам необходимо разрабатывать компактные, эффективные и безопасные источники питания, адаптированные к конкретным медицинским приложениям. Ограниченное внутреннее пространство таких устройств ограничивает габариты аккумулятора, что напрямую влияет на общую конструкцию и удобство использования. Например, громоздкий аккумулятор может сделать носимое или имплантируемое устройство непрактичным для ежедневного использования. Для применения в педиатрии требуются ещё более компактные аккумуляторы, в то время как для устройств для взрослых могут быть допустимы аккумуляторы чуть большего размера. Форм-фактор становится критически важным параметром на ранних этапах проектирования. Инженерам необходимо определиться, использовать ли доступный пользователю аккумулятор или герметичный перезаряжаемый элемент, всегда соблюдая баланс между ёмкостью и компактностью. Такой тщательный подход гарантирует, что имплантируемые медицинские устройства останутся функциональными, эргономичными и безопасными для пациентов.
Примечание: Ограничения по размеру влияют не только на физическую интеграцию батареи, но и на выбор химического состава батареи и общую архитектуру устройства.
2.2 Плотность энергии
Высокая плотность энергии остаётся важнейшей характеристикой для имплантируемых медицинских устройств. Для этих устройств требуются аккумуляторы, обеспечивающие достаточную мощность в течение длительного времени без частой замены или подзарядки. Инженерам необходимо выбирать химические составы аккумуляторов, обеспечивающие максимальное накопление энергии в минимально возможном объёме. Литиевые аккумуляторы, такие как LiFePO4, NMC, LCO, LMO, LTO, твердотельные и металлический литий, обладают различными преимуществами с точки зрения напряжения платформы, плотности энергии и срока службы. В таблице ниже представлено сравнение этих составов, что подчёркивает их актуальность для медицины и других востребованных отраслей.
Химия | Напряжение платформы (В) | Плотность энергии (Втч/кг) | Срок службы (циклов) | Сценарии приложений |
|---|---|---|---|---|
LiFePO4 | 3.2 | 90-160 | 2000+ | Медицинское, Промышленное |
NMC | 3.7 | 150-220 | 1000-2000 | Медицина, робототехника, безопасность |
LCO | 3.7 | 150-200 | 500-1000 | Медицина, Бытовая электроника |
LMO | 3.7 | 100-150 | 300-700 | Медицина, Инфраструктура |
LTO | 2.4 | 70-110 | 5000+ | Медицинское, Промышленное |
Твердое состояние | 3.2-3.7 | 200-400 | 1000-2000 | Медицина, Робототехника |
Литий металлический | 3.0-3.6 | 300-500 | 500-1000 | Медицина, безопасность |
Выбор подходящего химического состава зависит от потребляемой мощности устройства, ожидаемого срока службы и профиля безопасности. Высокая плотность энергии обеспечивает более длительный срок службы при меньших габаритах, что критически важно для имплантируемых медицинских устройств.
2.3 Интеграция устройств
Интеграция батарей с другими компонентами в имплантируемых медицинских устройствах влечет за собой ряд проблем:
Долговечность устройства
Миниатюризация размера
Биосовместимость материалов
Правила безопасности при коммерциализации
Медленное развитие технологий аккумуляторов
Потребность в новых материалах и методах сбора энергии
Инженеры должны решать эти задачи, чтобы обеспечить бесперебойную работу и безопасность пациентов. Эффективные стратегии интеграции устройств включают:
Методы управления питанием: Внедрение энергоэффективных компонентов и динамической регулировки мощности для оптимизации использования батареи.
Выбор материала для контактов аккумулятора: Выбор подходящих материалов и проектирование контактных интерфейсов для обеспечения надежной подачи питания.
Соображения по дизайну: Внедрение механизмов, обеспечивающих надежный контакт и подтверждающих работоспособность в физиологических условиях.
Энергоэффективные компоненты: Использование маломощных микроконтроллеров и датчиков для снижения энергопотребления.
Динамическая регулировка мощности: Регулировка мощности на основе моделей использования для экономии энергии в состояниях простоя.
Технологии сбора энергии: Внедрение таких методов, как сбор пьезоэлектрической энергии, для дополнения питания аккумулятора.
Эти стратегии помогают оптимизировать производительность аккумулятора и продлить срок службы устройства. Инженеры медицинской отрасли продолжают разрабатывать инновации, разрабатывая новые материалы и методы интеграции, чтобы соответствовать меняющимся требованиям к имплантируемым медицинским устройствам.
Часть 3: Биосовместимость и безопасность
3.1 Выбор материала
Выбор материала играет решающую роль в безопасности и производительности аккумуляторов для имплантируемых медицинских устройств. Инженеры должны выбирать биосовместимые материалы, которые не наносят вреда и не вызывают побочных реакций в организме. Титан, нанопористое золото и сплавы на основе натрия являются распространённым выбором, поскольку они устойчивы к коррозии и безопасно взаимодействуют с биологическими тканями. Композитные гелевые электролиты на основе желатина/поликапролактона и проводящие полимеры также обладают превосходной биосовместимостью и гибкостью, что делает их пригодными для современных приложений. Сплавы на основе цинка и магния являются биоразлагаемыми материалами, что может снизить необходимость хирургического удаления устройства после окончания его срока службы.
Правильный выбор материалов обеспечивает долгосрочную биосовместимость и поддерживает функциональность устройства на протяжении всего срока его службы. Производители также должны учитывать источник сырья, чтобы избежать этических проблем. Подробнее об ответственном выборе поставщиков см. заявление о конфликтных минералах.
3.2 Иммунный ответ
Человеческий организм может реагировать на инородные тела, включая имплантируемые батареи, по-разному. Понимание этих иммунных реакций помогает инженерам разрабатывать более безопасные устройства. Наиболее распространённые реакции включают:
Продвижение созревание дендритных клеток, который увеличивает активность цитотоксических Т-клеток CD8 и Т-хелперных клеток CD4.
Сокращение количества регуляторных Т-клеток (Treg) и поляризация макрофагов М2 в макрофаги М1, что способствует развитию адаптивного иммунитета.
Образование ионов Zn2+ и Mn2+, которые могут вызывать иммуногенную гибель клеток и активировать путь cGAS-STING.
Повышенная секреция интерферона I типа и провоспалительных цитокинов, приводящая к большей инфильтрации Т-лимфоцитов.
Эти процессы могут усилить реакцию иммунной системы, но при отсутствии должного контроля могут также вызвать воспаление или повреждение тканей. Инженеры должны выбирать биосовместимые материалы и конструктивные особенности, которые минимизируют эти риски, обеспечивая безопасность пациента и надежность имплантируемых медицинских устройств.
3.3 Соответствие нормативным требованиям
Разработка и использование аккумуляторов в имплантируемых медицинских устройствах регламентируются строгими нормативными стандартами. Соблюдение этих стандартов гарантирует соответствие продукции требованиям безопасности и биосовместимости до выхода на рынок. Ключевые стандарты включают:
Стандарт | Описание |
|---|---|
Оценивает медицинские изделия на предмет возможных неблагоприятных биологических реакций. | |
стандартами качества ISO 10993 | Содержит рекомендации по оценке биосовместимости, включая цитотоксичность и сенсибилизацию. |
IEC 62133 | Устанавливает требования безопасности для батареи, используемые в медицинских приборах. |
UL 2054 | Гарантирует биосовместимость и безопасность использования батарей. |
стандартами качества ISO 13485 | Определяет системы управления качеством для медицинских изделий, поддерживающие биосовместимость. |
МЭК 60601-1 | Охватывает основы безопасности и основные эксплуатационные характеристики медицинского электрооборудования. |
Нормативные требования могут различаться в зависимости от региона. Например:
Регион | Регулирующий орган | Основные стандарты и требования |
|---|---|---|
США | FDA | IEC 62133, IEC 60086-4, UL 1642, UL 2054 и другие стандарты безопасности и производительности аккумуляторных батарей. |
Европа | MDR | ANSI/AAMI ES 60601-1, IEC 60086-4, IEC 62133, которые включают испытания безопасности и производительности медицинских приборов. |
Транспорт | Различные агентства | Требования ООН 38.3 к испытаниям для безопасной перевозки литиевых батарей, включая моделирование высотных условий и тепловые испытания. |
Производители должны продемонстрировать, что их аккумуляторы соответствуют этим стандартам, проведя тщательное тестирование. Серия ISO 10993Например, регламент охватывает цитотоксичность, сенсибилизацию, раздражение и генотоксичность, гарантируя безопасность имплантируемых медицинских устройств для человека. Соблюдение этих требований защищает как пациента, так и производителя, способствуя безопасному использованию литиевых аккумуляторов в медицине, промышленности и других востребованных областях применения.
Часть 4: Управление питанием и стабильность
4.1 Срок службы батареи
Увеличение срока службы аккумуляторов остаётся главным приоритетом для инженеров, работающих с аккумуляторами для имплантируемых медицинских устройств. Долговечность устройств напрямую влияет на безопасность пациентов и расходы на здравоохранение. Новейшие литий-диоксидмарганцевые аккумуляторы обеспечивают до 1.9 ампер-часов полезной емкости, устанавливая новый стандарт в отрасли. Эти аккумуляторы обеспечивают работу устройств со сроком службы до 13.2 лет, снижая необходимость в частой замене. В таблице ниже представлены ключевые характеристики, способствующие увеличению срока службы аккумуляторов:
Особенность | Описание |
|---|---|
Вместимость | 1.9 А·ч полезной емкости аккумулятора — самый высокий показатель в отрасли |
Химия | Диоксид лития и марганца поддерживает стабильность напряжения и сопротивления |
Эффективность | Устройства на 8% меньше и на 24% тоньше |
Долговечность | Работает до 13.2 лет, превосходя конкурентов. |
Экономия | Меньшее количество замен снижает расходы для пациентов и систем здравоохранения |
Клинически доказанное долголетие | Клинически доказано с 2008 года, впечатляющая долговечность |
Инженеры также исследуют решения с автономным питанием, использующие технологии сбора энергии. К ним относятся электромагнитный сбор энергии, беспроводная ультразвуковая передача энергии и термоэлектрические генераторы, использующие тепло тела. Такие инновации дополнительно продлевают срок службы и надежность устройств.
4.2 Выходная мощность
Для безопасной работы имплантируемых медицинских устройств требуется стабильная и предсказуемая выходная мощность. Различные устройства имеют уникальные потребности в энергии: от маломощных датчиков до мощных стимуляторов. В таблице ниже сравниваются распространённые источники энергии и их генерируемая мощность:
Метод сбора энергии | подходы | Вырабатываемая мощность | Наши преимущества | Недостатки бонуса без депозита |
|---|---|---|---|---|
Независимая система | Литиевые батареи | Совместимость с гибкой электроникой | Размер | |
Биотопливные элементы | 2.4 мкВт | Переработка материалов | Низкая выходная мощность | |
Ядерные батареи | 50 мкВт | Более длительный срок службы (>15 лет) | Радиоактивная опасность | |
Термоэлектричество | 5.8 мкВт | Неограниченный срок службы | Низкая выходная мощность | |
пьезоэлектричество | 2.1–69.8 Вт | Высокая выходная мощность | Ограниченные места имплантации |
Стабильная выходная мощность обеспечивает надежность устройства и безопасность пациента. Инженеры выбирают подходящую химию и метод сбора энергии в зависимости от области применения устройства, например, медицины, робототехники или безопасности.
4.3 Долгосрочная эффективность
Долгосрочная производительность зависит от нескольких факторов, включая химический состав аккумулятора, тип устройства и энергопотребление. Внутренняя конструкция аккумулятора, например, многослойная структура пластин в аккумуляторах ENDURALIFE, обеспечивает максимальную ёмкость и плотность энергии. Аккумуляторы Li/MnO2 поддерживают напряжение выше 2.8 В и стабильное внутреннее сопротивление, что обеспечивает более высокий показатель плановой замены. В отличие от этого, аккумуляторы Li/SVO демонстрируют падение напряжения и увеличение сопротивления по мере разряда.
К основным факторам, влияющим на долгосрочную эффективность имплантируемых аккумуляторов, относятся производитель устройства, тип устройства (ИКД или СРТ-Д) и частота желудочковой стимуляции. Кроме того, критически важными факторами являются энергия, потребляемая устройством, и энергия, доступная от аккумулятора. Химический состав и внутренняя конструкция аккумулятора также играют важную роль в определении его долговечности.
Для дальнейшего повышения надежности инженеры внедряют передовые системы управления батареямиЭти системы контролируют состояние аккумулятора, оптимизируют циклы зарядки и предотвращают чрезмерную разрядку.
Инновации в технологиях сбора энергии, таких как окисление глюкозы в биотопливных элементах и генерация энергии за счёт движения тканей, продолжают повышать долгосрочную стабильность имплантируемых устройств. Эти достижения помогают гарантировать безопасность и эффективность имплантируемых медицинских устройств на протяжении всего срока службы.
Часть 5: Инновации в технологии имплантируемых аккумуляторов
5.1 Продвинутая химия
В последние годы наблюдается переход от устаревших химических составов аккумуляторов к передовым решениям на основе лития, таким как LiFePO4, NMC, LCO, LMO, LTO, твердотельным и металлическому литию. Эти химические составы обеспечивают более высокую плотность энергии, более длительный срок службы и улучшенные профили безопасности, что делает их идеальными для применения в медицине, робототехнике и системах безопасности. В настоящее время инженеры изучают безбатарейные биоэлектронные имплантаты, которые собирают энергию непосредственно из тела. Такой подход позволяет отказаться от громоздких батарей и уменьшить размеры устройства. Технологии наногенераторов, включая биотопливные элементы, которые вырабатывают электричество из глюкозы, и термоэлектрические элементы, собирающие электроэнергию за счет температурных градиентов, получили распространение. Трибоэлектрические генераторы, изготовленные из гибких и биоразлагаемых материалов, позволяют собирать энергию из движений тела. Эти достижения способствуют как миниатюризации, так и биосовместимости, которые остаются критически важными для имплантируемых медицинских устройств.
Биоэлектронные имплантаты без батареек собирают энергию из тела
Наногенераторы используют глюкозу или температурные градиенты для получения энергии
Трибоэлектрические генераторы используют движения тела и гибкие материалы
5.2 Технологии производства
Производители внедрили новые технологии для повышения надежности и безопасности имплантируемых аккумуляторов. Одним из заметных достижений является использование нового электролита, называемого католитом. Это нововведение объединяет функции катода и электролита, снижая общий вес аккумулятора. Новый католит увеличивает срок службы аккумулятора до 50% и позволяет использовать более компактные и лёгкие аккумуляторы без увеличения затрат. Безопасность повышается, поскольку эти элементы не содержат токсичных и едких материалов, характерных для старых химических составов. Предварительные испытания показывают стабильный срок годности, превышающий один год, что крайне важно для первичных аккумуляторов в медицинских устройствах. Эти усовершенствования способствуют обеспечению стабильной производительности и безопасности пациентов.
Католитные электролиты уменьшают вес и увеличивают срок службы батареи
Более безопасные ячейки избегают токсичных и едких материалов
Стабильный срок хранения обеспечивает долгосрочную надежность устройства
5.3 Сотрудничество с отраслью
Межотраслевые партнерства стимулируют инновации в области технологий имплантируемых аккумуляторов. Производители медицинских приборов, специалисты по аккумуляторам и материаловеды совместно разрабатывают решения, отвечающие строгим нормативным требованиям и стандартам производительности. Сотрудничество ускоряет внедрение передовых химических технологий и методов производства. Оно также способствует интеграции технологий сбора энергии в устройства нового поколения. Эти партнерства гарантируют, что новые аккумуляторы будут соответствовать уникальным требованиям медицины, промышленности и безопасности. Компании, которые уделяют первостепенное внимание устойчивому развитию в своих цепочках поставок, еще больше укрепляют свою репутацию и соответствие требованиям. Подробнее об устойчивых методах производства аккумуляторов см. наш подход к устойчивому развитию.
Постоянные инновации в области аккумуляторов для имплантируемых медицинских устройств остаются важнейшим фактором повышения качества ухода за пациентами и надежности устройств. Миниатюризация, биосовместимость и соответствие нормативным требованиям являются движущими силами прогресса в этой области. Эксперты отрасли ожидают, что в следующем десятилетии будут определяться следующие тенденции:
Достижения в области твердотельных аккумуляторов позволят повысить безопасность и производительность.
Системы беспроводной зарядки сократят количество хирургических вмешательств.
Устойчивость возрастет благодаря биоразлагаемым и перерабатываемым технологиям.
Более строгие правила будут способствовать внедрению более безопасных и экологичных решений.
Рост рынка будет ускоряться по мере развития технологий и потребностей потребителей.
FAQ
Какие основные химические вещества используются в аккумуляторах имплантируемых медицинских устройств?
Инженеры используют LiFePO4, NMC, LCO, LMO, LTO, твердотельные и литий-металлические аккумуляторы. Эти варианты обеспечивают высокую плотность энергии, стабильное напряжение платформы и длительный срок службы. Выбор зависит от требований к устройству в медицине, робототехнике или системах безопасности.
Как ограничения по размеру влияют на конструкцию литиевых аккумуляторных батарей для имплантатов?
Ограничения по размерам вынуждают инженеров разрабатывать компактные литиевые аккумуляторы. Даже при меньших размерах необходимо обеспечить высокую плотность энергии и надежность. Эта задача стимулирует инновации как в химии, так и в упаковке медицинских и промышленных устройств.
Почему биосовместимость имеет решающее значение для имплантируемых литиевых батарей?
Биосовместимость гарантирует, что материалы аккумуляторов не вызывают иммунных реакций и не повреждают ткани. Производители выбирают такие материалы, как титан и нанопористое золото, чтобы соответствовать строгим медицинским стандартам и нормативным требованиям, обеспечивая безопасность пациентов и производительность устройств.
Какие нормативные стандарты применяются к литиевым батареям в медицинских приборах?
Производители должны соблюдать рекомендации FDA, ISO 10993, IEC 62133 и UL 2054. Эти стандарты регламентируют безопасность, биосовместимость и управление качеством литиевых аккумуляторных батарей в медицинском, промышленном и охранном секторах.
Как инженеры увеличивают срок службы батарей в имплантируемых устройствах?
Инженеры выбирают передовые химические составы, оптимизируют управление питанием и используют технологии сбора энергии. Эти стратегии продлевают срок службы аккумуляторов, сокращают частоту их замены и повышают надежность медицинских и промышленных приложений.
