MIT создал батарею для проглатываемых устройств, которая работает три дня и затем разлагается
Инженеры Массачусетского технологического института создали биоразлагаемую батарею для проглатываемых медицинских устройств, которая способна работать внутри желудочно-кишечного тракта до трёх дней, а затем постепенно разрушается. В опытах на свиньях батарея питала устройство для электрической стимуляции желудка и беспроводную радиочастотную метку. Двадцать минут электрической стимуляции повысили уровень гормона грелина примерно на 50%.
Обычные проглатываемые электронные капсулы могут использовать небольшие литиевые или серебряно-оксидные батареи. Пока их оболочка остаётся целой, содержимое изолировано от тканей, однако повреждение корпуса создаёт риск контакта компонентов батареи со слизистой. Команда Джованни Траверсо разработала источник питания из материалов, которые после выполнения своей задачи способны постепенно разрушаться в организме.
Анод новой батареи изготовлен на основе магния, а катод — из триоксида молибдена. Между ними находится гелевый электролит на основе ионной жидкости. Магний и соединения молибдена уже изучались как материалы для биоразлагаемых источников питания, а в новой работе такую батарею приспособили непосредственно для проглатываемой электроники.
Исследователи изготовили два варианта батареи. Первый представляет собой диск диаметром 7,5 миллиметра, второй — продолговатый элемент длиной 24 миллиметра. Такая конструкция позволяет подбирать источник питания под разные типы медицинских капсул.
В растворе с высокой кислотностью, имитирующем желудочный сок, батареи нормально работали около трёх дней. После этого их характеристики постепенно снижались, а в течение нескольких недель элементы полностью разрушались. В экспериментах на свиньях батарея также обеспечивала питание устройств в желудочно-кишечном тракте до трёх дней.
Одним из испытанных устройств стала проглатываемая система электрической стимуляции желудка. Её более ранняя версия использовала две серебряно-оксидные батарейки. В новой конструкции их заменили биоразлагаемым источником питания, благодаря чему почти всё устройство стало способно постепенно разрушаться после использования.
Капсула передавала небольшой электрический ток на слизистую желудка. Ранее команда показала, что такая стимуляция воздействует на эндокринные клетки и усиливает выделение грелина — гормона, участвующего в регуляции аппетита и пищеварения. В новом эксперименте 20 минут стимуляции увеличили его уровень примерно на 50%. Такой подход в будущем может исследоваться для состояний, сопровождающихся потерей аппетита или тошнотой, включая кахексию при онкологических и других хронических заболеваниях.
Батарея обеспечивала непрерывную электрическую стимуляцию в течение периода до трёх дней. При этом сама система пока не полностью разлагается в организме: печатная плата устройства сохраняется и должна пройти через желудочно-кишечный тракт естественным путём.
Второй эксперимент был связан с системой контроля приёма лекарств. Батарею встроили в капсулу с радиочастотной меткой, которая сообщает о своём нахождении внутри желудочно-кишечного тракта. Предыдущая версия такой системы, получившая название SAFARI, использовала пассивную RFID-метку и получала энергию от внешнего считывателя.
Добавление дисковой батареи позволило метке передавать сигнал непрерывно. В опытах на животных связь сохранялась на расстоянии до 1,5 метра. Сама радиочастотная часть изготовлена преимущественно из молибдена и целлюлозы, а её компоненты после завершения работы разрушаются или выводятся из организма.
Разработка пока прошла доклинические испытания на свиньях. Для применения у людей необходимо подтвердить безопасность продуктов разложения, стабильность работы батареи и надёжность всей электронной системы. Команда рассчитывает примерно через два года начать клиническое исследование системы SAFARI.
Биоразлагаемые источники питания могут использоваться не только в системах контроля приёма лекарств и электрической стимуляции, но и в проглатываемых датчиках и других временных медицинских устройствах, которым требуется автономное питание только в течение нескольких часов или дней.
Исследование в журнале Nature Chemical Engineering.