Исследователи из Массачусетского технологического института разработали проглатываемую бумажную батарейку на основе магния и оксида молибдена. Устройство способно питать медицинские микроприборы в желудочно-кишечном тракте в течение трех дней, после чего полностью растворяется и выводится организмом.
Проблема питания внутренних медицинских устройств долгое время сдерживала развитие миниатюрной цифровой медицины. Традиционные источники энергии для капсул и датчиков обычно содержат токсичные компоненты, а стандартные батарейки требуют хирургического извлечения или остаются в организме в виде электронных отходов. Новая разработка предлагает принципиально иной подход.
Сплав магния и целлюлозные нанофибриллы против токсичных отходов
Ученые создали источник питания, который балансирует между двумя противоположными требованиями: работать достаточно долго для выполнения медицинской задачи и полностью деградировать после ее завершения. В качестве анода исследователи применили сплав магния, а катод изготовили из композита на основе оксида молибдена и активированного угля.
Специальная структура на основе целлюлозных нанофибриллов улучшает прочность электродов и надежность электрического контакта, позволяя материалу распадаться естественным образом. В роли электролита выступает биоразлагаемая ионная жидкость, полученная путем плавления хлорида холина и молочной кислоты в равной молярной пропорции.
«Те материалы известны как относительно безопасные. Это был главный стимул — думать о веществах, которые могут хорошо переноситься людьми».
Джованни Траверсо, профессор механической инженерии в Массачусетском технологическом институте
Как отмечает Реза Годсси, профессор электротехники и вычислительной техники в Мэрилендском университете, не принимавший участия в исследовании, батарейка является самым крупным компонентом проглатываемого устройства, поэтому любые решения, обеспечивающие необходимую мощность при уменьшении габаритов капсулы, обладают огромным потенциалом. Мехмет Гирайхан Сая, бывший постдок МИТ, выступил ведущим автором научной публикации, вышедшей в международном журнале Nature Chemical Engineering 21 числа.
Подобное покрытие выступает ключевым элементом дизайна, регулирующим функциональный срок службы.
Лабораторные тесты и суточные нормы микроэлементов
В ходе лабораторных тестов в растворе, имитирующем желудочный сок, источники питания стабильно работали около трех дней, после чего их производительность постепенно снижалась.
Меньшая версия устройства выдавала напряжение около 1,7 вольта и со временем снизилась примерно до 1,35 вольта. Более крупный вариант производил пиковое напряжение в 1,84 вольта, которое к третьему дню падало до 1,45 вольта, обладая максимальной емкостью 3,5 миллиампер-часа. Исследователи сконструировали батареи таким образом, чтобы количество высвобождаемых компонентов не превышало рекомендованные суточные нормы потребления микроэлементов.
Испытания на свиньях и стимуляция секреции грелина
Практическую работоспособность технологии проверили в ходе испытаний на живых свиньях. Крупный вариант батарейки интегрировали в капсулу для желудочной электростимуляции.
Стимуляция секреции грелина открывает перспективы для лечения состояний, сопровождающихся потерей аппетита или тошнотой при хронических заболеваниях. Вторая модификация батарейки обеспечивала работу радиочастотной метки, которая передавала сигнал приемнику на расстоянии до 1,5 метра, фиксируя момент проглатывания лекарства для контроля за терапией.
Планы команды на клинические испытания системы SAFARI
Успешные испытания на животных подтверждают жизнеспособность концепции растворимых источников питания, однако ученым предстоит пройти этап клинических исследований с участием людей. Команда под руководством Джованни Траверсо рассчитывает начать клинические испытания системы SAFARI примерно через два года.
По словам Мехмета Гирайхана Сая, ведущего автора научной работы, главным достижением стало доказательство того, что биорезорбируемая батарея способна функционировать внутри желудочно-кишечного тракта и выполнять клинически значимые задачи, избавляя пациентов от необходимости хирургического вмешательства для извлечения разряженных элементов.
Ещё по этой теме
