Elektroniske enheter for konstant overvåking av pasientens helse er i stor etterspørsel i moderne medisin. Disse implantatene kan være laget av helt trygge materialer og signalstigning i blodsukkernivået, blodtrykket eller utseendet til en immunrespons mot medisiner.
Til tross for den langsiktige ytelsen, må slike enheter kasseres en dag. Den åpenbare løsningen på problemet - kirurgisk fjerning av implantatet - er tydeligvis ikke den beste, siden en slik intervensjon vil være smertefull og noen ganger farlig.
Derfor utvikler mange grupper av bioteknikere over hele verden enheter som er innebygd i kroppen, som uavhengig kan oppløses og skilles ut fra kroppen etter utløpsdatoen.
“Opprettelsen av slike implantater er et stort skritt fremover. Inntil nylig har det ikke vært noen fremgang i utviklingen av oppløselige biomedisinske innretninger, sier medforfatter av den nye studien Jeffrey Borenstein fra Draper Laboratory i Massachusetts, USA.
I 2012 presenterte Borensteins kollega materialforsker John Rogers fra University of Illinois og hans gruppe en serie biologisk nedbrytbare silisiumchips som er i stand til å kontrollere temperatur eller mekanisk deformasjon, overføre informasjon til enheter utenfor kroppen (til en datamaskin eller smarttelefon, for eksempel), og til og med oppvarme kroppsvev. for å forhindre smitte. Noen av disse sjetongene ble drevet av induksjonsspoler som ga trådløs strøm fra eksterne kilder.
Men trådløs overføring av energi er ikke veldig egnet for subkutane implantater, som noen ganger må plasseres i dype lag av vev eller til og med under beinet. I tillegg er komponentene til slike enheter veldig komplekse og tungvint. Etter å ha undersøkt disse problemene har Rogers og teamet hans laget optimaliserte helt biologisk nedbrytbare batterier for å utfylle eksisterende enheter.
Ingeniørene brukte magnesiumfolie som anoder, og en plate av jern, molybden eller wolfram til katoder. Alle disse metallene vil sakte oppløses i kroppen, og ionene deres ved lave konsentrasjoner er biokompatible.
Elektrolytten mellom de to elektrodene er en natriumfosfatbuffer. Alle disse komponentene er også pakket i en biologisk nedbrytbar polymer, polyanhydrid.
Kampanjevideo:
Som rapportert i en artikkel publisert i tidsskriftet Advanced Materials, kan strømstyrken på enheten variere avhengig av metallet som brukes i katoden. For eksempel gir en en centimeter kvadratisk celle med en 50 mikrometer tykk magnesiumanode og en 8 mikrometer tykk molybdenkatode 2,4 millimeter.
Når det er oppløst, frigjør batteriet mindre enn 9 milligram magnesium. (Foto fra University of Illinois)
Når det er oppløst, frigjør et slikt batteri mindre enn 9 milligram magnesium, som er omtrent det dobbelte av magnesium koronararteriestenten som har blitt testet i kliniske studier. Slike konsentrasjoner kan ikke forårsake problemer, sa Rogers.
Så langt er alle versjoner av den biologisk nedbrytbare enheten i stand til å fungere i kroppen i 24 timer, men ingeniører jobber allerede med å øke produktivitetens potensielle levetid. De håper også å øke energitettheten ved å modifisere overflaten til magnesiumfolien. Det store overflatearealet vil øke materialets reaktivitet. Ifølge foreløpige estimater fra forfatterne av studien, er et batteri på 0,25 kvadratcentimeter og bare ett mikrometer tykt ganske i stand til å drive en subkutan sensor i løpet av dagen.
Merk at Rogers 'utvikling er en potensiell konkurrent til Christopher Bettingers prosjekt: sistnevnte brukte hudpigmentet melanin for å lage anoder for maksimal sikkerhet for bioakkumulatoren. Likevel viste komparativ analyse at Rogers 'magnesiumanode-batterier er like trygge, men har høyere energitetthet og lengre levetid, noe som betyr at de vinner.
Borenstein legger til at slike enheter kan brukes ikke bare til biomedisinsk overvåking og medikamentlevering, men også for eksempel som sensorer for kontinuerlig å vurdere miljøtilstanden. Nedbrytbare sensorer kan plasseres i havet, hvor de overvåker forurensningsgraden, og ved slutten av livet oppløses de nesten sporløst.
