새로운 무선 충전식 배터리 연구는 수술 위험을 줄이는 것을 목표로 합니다.

2023년 6월 5일

제니퍼 매튜스

펜실베이니아주 유니버시티파크 - 펜실베이니아 주립대(Penn State) 연구진은 심장박동기 같은 생체의학 전자제품을 위한 새로운 무선 충전 배터리를 설계하고 있습니다. 이 배터리를 사용하면 침습적 수술 없이도 충전 및 관리가 가능합니다.

Penn State 대학의 John and Willie Leone 가족 에너지 및 광물 공학과의 에너지 공학 조교수인 Feifei Shi는 "우리는 배터리와 재료 설계를 최적화하고 이를 무선 충전과 결합하고 싶습니다."라고 말했습니다. "현재 우리는 케이블 충전에만 국한되어 있으며 무선 충전은 확실히 미래입니다."

생의학 장치는 만성 통증을 완화하고 삶의 질을 크게 향상시키는 인체의 생리적 기능을 재현하며, 지난 수십 년 동안 이러한 원인을 옹호하는 전자 및 무선 기술이 엄청난 성장을 보였습니다. 그러나 의료기기의 남은 과제는 전원 공급 장치입니다. 대부분의 이식형 전자 장치는 수명이 제한되어 있고 케이블을 사용하여 충전해야 하는 1차 배터리로 구동됩니다. 인류의 수명이 사상 최고치를 기록함에 따라 과학자들은 현재 사용되는 리튬 요오드 배터리에 비해 더 오래 지속되고 더 안정적인 대안이 필요합니다.

Shi는 "10년 전에는 이것이 문제가 아니었습니다."라고 말했습니다. "하지만 요즘에는 사람들의 수명이 길어지면서 배터리 교체가 훨씬 더 빈번해졌습니다."

최초의 이식형 심장 박동조율기는 니켈-카드뮴 충전 배터리를 사용했습니다. 이후 아연-수은 배터리가 개발되었으며, 이는 2년 이상 지속되었습니다. 그러나 1972년에 발명된 요오드화 리튬 배터리만큼 성능이 좋은 배터리는 없습니다. 이 배터리는 최대 10년 동안 지속되며 많은 심장 박동기 제조업체의 최적 표준입니다. 그러나 심장 박동기 배터리 수명이 때로는 수십 년까지 길어지면 문제가 발생합니다. 배터리 교체 수술은 상대적으로 안전하기는 하지만 위험이 따르지 않는 것은 아니며, 특히 노년기에 더욱 그렇습니다. 이러한 위험에는 감염, 혈전, 혈관이나 신경 손상, 폐허탈 및 심장 천공이 포함됩니다.

이 문제를 해결하기 위해 Shi는 무선으로 충전할 수 있는 충전식 배터리를 개발하기 위한 3개년 프로젝트에 대해 Johnson & Johnson으로부터 150,000달러의 보조금을 받았습니다. 그 결과 인체 내에서 원격으로 충전 가능한 최초의 고용량 배터리가 탄생하게 될 것입니다. 이 새로운 충전식 배터리 시스템은 수술과 관련된 감염 및 기타 합병증의 위험을 제거하고 보다 안정적이고 내구성 있는 전원 공급 장치를 제공하여 더 많은 건강 진단 센서를 구현된 의료 기기에 통합할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 성공한다면 Shi는 이 프로젝트가 생명을 구하고 고통을 최소화하며 비용을 절감하고 구현 가능한 의료 기기의 차세대 혁명을 촉발할 것이라고 믿습니다.

첫 번째 단계는 생체 안전하고 근육 조직에 침투할 수 있어 체내 충전이 가능한 기존의 비상업적 무선 충전 방식을 채택하는 것입니다. 이를 위해 일부 프로토타입에 대해 소규모 테스트를 실시하여 이러한 유형의 배터리에 대한 최적의 화학 물질을 찾을 것입니다.

Shi는 "과거 연구에서는 일반적으로 전구나 커패시터의 무선 충전을 보여주었지만 배터리를 충전할 수 있다는 것을 보여주지 않았습니다."라고 말했습니다. "전구에 불을 붙이는 것과 실제 사용 및 노화 테스트에는 차이가 있습니다."

두 번째 작업은 구조 최적화입니다. 장치는 작아야 하고 수용체는 통합되어야 하며 이는 새로운 개념이라고 Shi는 설명했습니다.

Shi는 "배터리를 전체적으로 생각하고 배터리의 모든 구성 요소를 생각하고 싶습니다. 이는 배터리 성능에만 국한되지 않습니다"라고 말했습니다. "우리는 처음부터 시작합니다. 이와 같은 것이 존재하지 않기 때문에 자유가 많습니다. 기존 기술로 작업하는 경우 플레이할 공간이 너무 많지 않기 때문에 이것은 좋습니다. 이것은 우리에게 더 많은 것을 제공합니다. 새로운 것, 사회에 더 유용한 것을 발명할 수 있는 기회입니다."