Микитюк О.Ю.

Вищий державний навчальний заклад України

«Буковинський державний медичний університет»

Біомедичні застосування термоелектричних технологій

Сучасні досягнення в області термоелектричних технологій починають задовольняти окремі потреби в кількості медичних пристроїв, що використовуються у біомедичних застосуваннях. Перші застосування були направлені на нагрівання і охолодження в термоциклерах ДНК, охолодження мішків для ліків і медичних пристроїв для візуалізації. У цих випадках переваги швидкого твердотільного нагріву або охолодження переважають неефективні витрати, пов'язані із сучасною термоелектричною установкою.

Останні досягнення в термоелектричних дослідженнях і біомедичній інженерії викликали новий інтерес з боку медичної спільноти, особливо в галузі використання термоелектричної енергії. Розквіт портативної електронної промисловості, яка споживає низькі потужності і є високо продуктивною, спричинила появу нової хвилі переносних та імплантованих біомедичних пристроїв. Тому настав час для конвергенції нових термоелектричних технологій з сучасними і майбутніми медичними приладами.

Сьогодні найпоширеніші біомедичні застосування термоелектричних пристроїв відбуваються в сучасних полімеразних ланцюгових реакціях (ПЛР) для швидкого нагріву і охолодження ДНК. ПЛР стала повсюдним і незамінним методом, що використовується в медичних і біологічних лабораторіях для ампліфікації ДНК. Процес реплікації молекул ДНК з використанням ПЛР вимагає термічної обробки ДНК до трьох окремих контрольних точок: (1) денатурація при 94° С, (2) відпал при 54° С і (3) подовження при 72° С. Ці кроки потім повторюються кілька разів з кожним циклом, що подвоює кількість ДНК. Цей процес, дозволяє використовувати твердотільні термоелектричні нагрівачі / охолоджувачі, щоб прискорити час термічного циклювання, необхідного для цих реакцій. Зворотність, швидка реакція і простота розгортання пристроїв Пельтьє роблять їх ідеальними для обладнання ПЛР.

Потенційним напрямком для більш широкого використання твердотільних нагрівальних / охолоджуючих термоелектричних пристроїв може служити терапевтичне медичне застосування. Вивчалося використання термоелектричних пристроїв для терморегуляції онкологічних хворих. Для хворих, що приймають хіміотерапію, характерні нейтропенія, сприйнятливість до інфекцій і анемія. Ці побічні ефекти можуть приводити до температурної чутливості, у пацієнта виникає відчуття холоду. Тому ковдри або кушетки з контрольованою температурою за допомогою термоелектричних пристроїв, можуть потенційно допомогти пацієнтам справитися з побічними ефектами. Така продукція для лікувальногоохолодження і нагрівання тканинних пошкоджень також є ефективним методом лікування і зменшують час загоєння.

Іншим потенційним терапевтичним застосуванням, що використовує термоелектричні технології, є терапевтична гіпотермія. Цей метод особливо ефективний для лікування неонатальної енцефалопатії і нейропротекції пацієнта після зупинки серця. У цьому способі лікування використовуються водні ковдри, жилети або обгортання. Цей метод є найбільш поширеним методом для неінвазивного охолодження пацієнтів.

Термоелектричне охолодження і нагрів використовуються також у портативних біомедичних системах. Прогрес в області мікроелектроніки, адаптований до напівпровідникової промисловості, відкрив можливість масштабування лабораторних систем, таких як ПЛР, електрофорез, одномолекулярне виявлення і діагностика захворювань.

Діагностичні інструменти постійно еволюціонують та вдосконалюються, вони мають тенденцію до мініатюризації та мобільності. Безперервний фізіологічний моніторинг пацієнта може тепер проводитись поза межами клінічного середовища, надаючи лікарям більш детальну інформацію. Життєві медичні прилади перетворені з громіздких та інвазивних машин на портативні імплантовані пристрої, звільняють пацієнтів від незмінної госпіталізації. Мобільність потребує портативних енергетичних рішень, роль яких в даний час наповнена технологіями зберігання енергії, такими як батареї. Приблизно 80% метаболічної енергії в організмі людини втрачається для у вигляді низькоякісного тепла для терморегуляції. Для того, щоб підтримувати температуру всередині тіла приблизно 37° С, наші тіла постійно генерують тепло, одночасно приймаючи активні дії, розсіюючи тепло, щоб запобігти перегріву. В результаті втрата тепла відбувається через провідність, конвекцію, випромінювання та випаровування, що робить його найбільш поширеним джерелом енергії з тіла. Тіло живого організму розсіює приблизно 100 Вт енергії, що не потрібна для терморегуляції. Термоелектричні пристрої, що діють як твердотільні електрогенератори внаслідок наявності різниці температур, можуть бути придатними для збирання низькоякісного тепла, що виділяється з організму. Ця відновлена енергія може потенційно забезпечити потужність нової хвилі діагностичних та медичних інструментів.

Збирання термоелектричної енергії в біомедичній сфері можна розділити на дві групи застосувань: (1) переносні та (2) імплантовані програми.

Зростаючий попит на недорогі та персоналізовані бездротові фізіологічні діагностичні інструменти обумовлений зростаючими дослідженнями в мережах бездротових телеметричних систем та мобільного здоров'я. Бездротові системи фізіологічного моніторингу включають довготерміновий моніторинг локальних / регіональних процесів у тканинах чи органах, що досліджуються, та персоналізовані медичні послуги вдома. Термоелектричні генератори можуть забезпечити спосіб збільшення ємності накопичення енергії в бездротових телеметричних системах, використовуючи термічні градієнти між тілом та навколишнім середовищем, внаслідок чого збільшується термін практичного використання пристрою.

Неймовірні досягнення в термоелектричних дослідженнях протягом останнього десятиліття додають оптимізму щодо майбутнього прогресу. Додаткові успіхи в термоелектричних дослідженнях будуть з’являтися лише під егідою екологічних та енергетичних проблем. Зі зростаючою міждисциплінарною співпрацею це неминуче буде впливати на біомедичну галузь, щоб забезпечити інноваційні медичні та біомедичні технології.