Araştırmacılar, cihazın boyutunu daha da küçültebilmek için güç kaynağını da yeniden tasarladılar. Yeni, minik kalp pili, güç sağlamak için yakın alan iletişimini (NFC) kullanmak yerine, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren bir tür basit pil olan galvanik hücrenin etkisiyle çalışıyor. Kalp pili, kalbe elektrik darbeleri iletmek için elektrot olarak iki farklı metal kullanıyor. Elektrotlar çevredeki biyosıvılarla temas ettiğinde bir pil oluşturuyor. Oluşan kimyasal reaksiyonlar, kalbin uyarılması için elektrik akımının oluşmasına neden oluyor.
Okan Nurettin Okur
Biyomedikal Mühendisi
Kalp, bildiğiniz üzere dört odacıklı bir kas yumağı gibidir. Fakat aslında kendi elektriğini üreten, durmaksızın çalışan, ritmini içsel bir saat gibi ayarlayan eşsiz bir kas sistemidir. Adeta bedenin orkestra şefi gibi, tüm sistemlerin ahengini sağlar. Kalbin dört odasını hatırlayalım: Üstte sağ kulakçık (atrium) ve sol kulakçık, altta sağ karıncık (ventrikül) ve sol karıncık. Kan, bu odacıklardan geçerek pompalanır ancak asıl olay bu odacıkları sırayla kasıp gevşetmektir (sistol-diyastol). İşte burada devreye kalbin “elektromekanik” yapısı girer. Elektrik sinyali geldiğinde kalp kasları tetiklenir. Bu kaslar oldukça organize çalışır. Dört kapakçık da (mitral, triküspit, aort, pulmoner) “aç-kapa” yaparak kanın doğru yönde gitmesini sağlar. Bu kapakçıklar, tıpkı turnike gibi çalışır. Aslında her şey SA düğüm (Sinoatrial düğüm) denen mini bir elektrik jeneratöründe başlar.
Bu yapı, sağ kulakçığın içinde durur ve “Doğal pil” olarak bilinir. SA düğüm, bir nevi ritim tutan saat gibidir: “tik… tak… tik…tak” diye sinyaller gönderir. Bu elektrik sinyali önce kulakçıklara yayılır, kaslar kasılır ve kan karıncıklara dolar. Sonra sinyal AV düğüme (Atrioventriküler düğüm) geçer.
AV düğüm burada kısa bir gecikme sağlar; bu gecikme, karıncıkların yeterince dolmasını mümkün kılar. Ardından uyarı, his demeti ve purkinje lifleri aracılığıyla hızla karıncıklara iletilir. Bu sistemli iletim sonucunda karıncıklar senkronize biçimde kasılarak kanı akciğerlere ve sistemik dolaşıma gönderir. Çalışma mekanizması kabaca böyledir.
Yani kalp; hem elektrik üretir hem kan pompalar hem de bu sistemi organize eder.
- Elektrik üretir (SA düğüm)
- Ritmi organize eder (AV düğüm ve iletim yolları)
- Kasları kasar (mekanik pompalama)
- Kapakçıklarla yön verir (kanı doğru yere gönderir)
Ayrıca tüm bunları dakikada ortalama 70 kez, hiç durmadan, yorulmadan bir ömür boyu yapar. Fakat her sistemde olduğu gibi, insan vücudunda da zaman zaman çeşitli işleyiş bozuklukları meydana gelebilir. Elektriksel aktivite tamamen durursa, bu durumda dışarıdan bir kalp pili (pacemaker) ile müdahale gerekebilir. Özellikle bradikardi (yavaş kalp atımı), kalp bloğu (AV blok), hasta sinüs sendromu gibi durumlarda tercih edilir. Bu tür rahatsızlıklarda kalbin kendi başına yeterli ritmi sağlayamaması; halsizlik, baş dönmesi, bayılma gibi şikâyetlere yol açabilir. Kalp pili, bu gibi durumlarda devreye girerek kalbin düzenli bir şekilde atmasını sağlar. Ayrıca bazı ileri kalp yetmezliği durumlarında, kalp kasılmalarını senkronize eden özel tipte kalp pilleri de kullanılabilir.
Yetişkinlerde kalp pili uygulaması oldukça sık karşılaşılan bir durumdur. Ancak yenidoğanlarda ve bebeklerde bu tür müdahaleler nasıl gerçekleştirilir?
Bebeklerde, özellikle yeni doğan döneminde kalp piline ihtiyaç duyulması çok nadir ama mümkündür. Doğumsal kalp blokları gibi durumlarda, minik beden henüz dünyaya gözlerini açarken bile desteğe ihtiyaç duyabilir. İşte o zaman, bu minik bedene cihaz yerleştirilir ve kalp güvenle atmaya devam eder.
Bebekler için kullanılan kalp pilleri, normal pillerden çok daha küçük ve özel olarak tasarlanmıştır. Genellikle göğüs duvarının altına ya da karın bölgesine yerleştirilir. Amacı, bebeğin büyüyene kadar kalp ritmini düzenli tutmaktır.
Fakat bu konudaki son gelişmeler oldukça çarpıcı…
Northwestern Üniversitesi mühendisleri, bir enjektörün ucuna sığabilecek ve vücuda invaziv olmayan (hastalıkları teşhis, tedavi etmek için cildi kesmeyi veya vücuda alet sokmayı içermeyen tıbbi işlem) bir şekilde enjekte edilebilecek kadar küçük bir kalp pili geliştirdiler*. Tek bir pirinç tanesinden daha küçük olan kalp pili, hastanın göğsüne monte edilen ve kalp ritmini kontrol eden küçük, yumuşak, esnek, kablosuz, giyilebilir bir cihazla eşleştiriliyor. Giyilebilir cihaz düzensiz kalp atışı tespit ettiğinde otomatik olarak ışık atımı yaparak kalp pilini aktive ediyor. Hastanın cildini, göğüs kemiğini ve kaslarını geçerek ilerleyen bu kısa darbeler, kalp ritmini kontrol ediyor. Sadece geçici olarak kalp pili takılması gereken hastalar için tasarlanan kalp pili, artık ihtiyaç kalmadığında kendiliğinden eriyip yok oluyor. Kalp pilinin tüm parçaları biyouyumlu, yani vücudun biyosıvıları içinde doğal olarak çözünüyor ve cerrahi olarak çıkarılmasına gerek kalmıyor.
Çalışmanın eş başkanlığını yürüten Northwestern deneysel kardiyoloğu Igor Efimov:
“Çocukların yaklaşık %1’i doğuştan kalp kusurlarıyla doğuyor. İyi haber şu ki, bu çocuklar ameliyattan sonra sadece geçici kalp piline ihtiyaç duyuyor. Yaklaşık yedi gün içinde, çoğu hastanın kalbi kendi kendine onarılıyor. Ancak bu yedi gün kesinlikle çok kritik. Bu minik kalp pilini bir çocuğun kalbine yerleştirip yumuşak, nazik, giyilebilir bir cihazla uyarabiliyoruz. Ayrıca onu çıkarmak için ek bir ameliyat gerekmiyor.”
Bu çalışma, Rogers ve Efimov’un geçici kalp pili için ilk eriyen cihazı geliştirdikleri önceki iş birliğinden yola çıkarak oluşturulmuştur.
Birçok hasta, kalp ameliyatından sonra geçici kalp piline ihtiyaç duyar; bu, kalıcı kalp pili takılmasını beklerken veya iyileşme sürecinde kalp atış hızının normale dönmesine yardımcı olmak için gerçekleşir.
Mevcut bakım standardına göre cerrahlar ameliyat sırasında elektrotları kalp kasına dikerler. Elektrotlardan çıkan teller hastanın göğsünün ön kısmından çıkar ve kalbin ritmini kontrol etmek için akım sağlayan harici bir kalp pili kutusuna bağlanır. Geçici kalp piline ihtiyaç kalmadığında, hekimler kalp pili elektrotlarını çıkarırlar. Olası komplikasyonlar arasında ise enfeksiyon, yerinden oynama, dokuların yırtılması veya hasar görmesi, kanama ve kan pıhtıları bulunur.
Bu klinik ihtiyaca yanıt olarak Rogers, Efimov ve ekipleri, 2021 yılında Nature Biotechnology’de tanıtılan eriyen kalp pilini geliştirdiler. İnce, esnek ve hafif cihaz, hantal pillere ve kablolar da dahil olmak üzere sert donanımlara olan ihtiyacı ortadan kaldırdı.
Rogers’ın laboratuvarı daha önce biyolojik olarak emilebilir elektronik tıp kavramını icat etmişti.
Bu elektronikler, hastaya terapötik bir fayda sağlıyor ve daha sonra emilebilir dikişler gibi vücutta zararsız bir şekilde çözünüyor. Rogers’ın ekibi, bu cihazlardaki malzemelerin bileşimini ve kalınlığını değiştirerek, çözünmeden önce işlevsel kaldıkları gün sayısını tam olarak kontrol edebiliyor.
Araştırmacılar, cihazın boyutunu daha da küçültebilmek için güç kaynağını da yeniden tasarladılar. Yeni, minik kalp pili, güç sağlamak için yakın alan iletişimini kullanmak yerine, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren bir tür basit pil olan galvanik hücrenin etkisiyle çalışıyor.
Kalp pili, kalbe elektrik darbeleri iletmek için elektrot olarak iki farklı metal kullanıyor. Elektrotlar çevredeki biyosıvılarla temas ettiğinde bir pil oluşturuyor. Oluşan kimyasal reaksiyonlar, kalbin uyarılması için elektrik akımının oluşmasına neden oluyor. Kalp pili çok küçük olmasına rağmen (sadece 1,8 milimetre genişliğinde, 3,5 milimetre uzunluğunda ve 1 milimetre kalınlığında) tam boyutlu bir kalp pili kadar uyarı sağlıyor.
Rogers, “Pil vücuda yerleştirildiğinde, çevresindeki biyosıvılar, bu iki metal pedi elektriksel olarak birleştirerek pili oluşturan iletken elektrolit görevi görüyor. Pilin karşı tarafında bulunan çok küçük bir ışıkla etkinleştirilen anahtar, hastanın vücuduna deriye yerleştirilen yamadan ışık verildiğinde cihazı ‘kapalı’ durumundan ‘açık’ durumuna geçirmemizi sağlıyor.”
Ekip, vücuda derinlemesine ve güvenli bir şekilde nüfuz eden kızılötesi dalga boyunda bir ışık kullandı. Hastanın kalp atış hızı belirli bir hızın altına düştüğünde giyilebilir cihaz olayı algılıyor ve ışık yayan diyotu otomatik olarak aktif hale getiriyor. Daha sonra ışık normal kalp atış hızına denk gelen bir hızda yanıp sönüyor. Kızılötesi ışık vücuda çok iyi nüfuz eder. Eğer el fenerini avucunuza koyarsanız, ışığın elinizin diğer tarafından parladığını görürsünüz. Vücudumuz ışığı harika iletir.
Rogers, “Kalbin çok az miktarda elektriksel uyarıya ihtiyacı vardır. Boyutu en aza indirerek, implantasyon prosedürlerini önemli ölçüde basitleştiriyoruz, hastanın yaşadığı travmayı ve riski azaltıyoruz ve cihazın çözünebilir yapısı sayesinde, ikincil cerrahi çıkarma prosedürlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırıyoruz.”
Teknoloji hızla ilerlerken, tıbbi alanlarda da büyük yenilikler ve gelişmeler yaşanıyor. Bu ilerlemeler, hem çocuk kardiyolojisi hem de genel tıp pratiği için umut verici bir geleceği işaret ediyor. Gelecekte, teknolojinin sunduğu yeni imkanlarla, henüz tahmin edemediğimiz çözümler ve tedavi yöntemleri ortaya çıkarabilir. Böylece, bebeklerde kalp pili gibi müdahaleler daha güvenli, etkili ve kişiselleştirilmiş hale gelebilir.
Kaynak ve ileri okuma:
- Zhang, Y., Rytkin, E., Zeng, L. et al. Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy. Nature, 2025 DOI: 10.1038/s41586-025-08726-4
