Nowe rozwiązanie zespołu Massachusetts Institute of Technology (MIT) - opisane w czasopiśmie "Nature Chemical Engineering" - ma odpowiedzieć na jeden z problemów związanych z tzw. połykanymi urządzeniami medycznymi. Kapsułki elektroniczne mogą służyć między innymi do monitorowania organizmu, dostarczania leków czy czasowej stymulacji tkanek, ale do działania potrzebują źródła energii.
Stosowane dotychczas niewielkie baterie mogą jednak zawierać m.in. lit, tlenek srebra lub inne metale. Ich obudowa musi zatem chronić organizm przed kontaktem z materiałami znajdującymi się wewnątrz baterii. Zespół kierowany przez Giovanniego Traverso z MIT poszedł inną drogą i postawił na materiały, które w odpowiednich ilościach są tolerowane przez organizm.
Anodę baterii wykonano z magnezu, natomiast katoda zawiera trójtlenek molibdenu. Pomiędzy elektrodami znajduje się biodegradowalny elektrolit, a konstrukcja ma postać cienkiej, porowatej struktury przypominającej papier. Zewnętrzną warstwę stanowi wosk, który pozwala kontrolować tempo degradacji baterii w kwaśnym środowisku żołądka.
Energia dla urządzenia połkniętego przez pacjenta
Badacze stworzyli dwie wersje baterii. Mniejsza ma średnicę 7,5 mm i może zmieścić się w standardowej kapsułce żelatynowej. Większa ma formę prostokątnego elementu o długości 24 mm. W zależności od konstrukcji baterie osiągały napięcie do około 1,84 V.
W pierwszym eksperymencie bateria zasilała znacznik RFID umieszczony w kapsułce. W badaniach na świniach urządzenie mogło komunikować się z odbiornikiem znajdującym się w odległości do 1,5 m. Takie rozwiązanie może w przyszłości znaleźć zastosowanie m.in. w systemach monitorujących przyjmowanie leków.
Zobacz również:
To ważne, ponieważ wcześniejsze systemy RFID opracowywane przez zespół Traverso wykorzystywały energię pozyskiwaną z otoczenia. Nowa bateria pozwala zasilać urządzenie niezależnie od zewnętrznego źródła energii i utrzymywać komunikację podczas jego przechodzenia przez przewód pokarmowy.
Drugim zastosowaniem była kapsułka wyposażona w elektrody przeznaczone do elektrycznej stymulacji żołądka. Wcześniejsze badania zespołu wykazały, że odpowiednio dobrany impuls elektryczny może pobudzać komórki endokrynne żołądka do wydzielania greliny, czyli hormonu związanego m.in. z regulacją apetytu.
W eksperymencie na zwierzętach 20-minutowa stymulacja żołądka doprowadziła do wzrostu poziomu greliny we krwi o około 50 proc. Badacze nie zaobserwowali przy tym widocznego uszkodzenia tkanek w miejscu stymulacji.
Tego typu rozwiązanie mogłoby potencjalnie znaleźć zastosowanie w przyszłych terapiach chorób związanych m.in. z zaburzeniami funkcjonowania przewodu pokarmowego, nudnościami czy utratą apetytu. Na tym etapie nie jest to jednak terapia przeznaczona dla ludzi - badanie miało charakter przedkliniczny i przeprowadzono je na zwierzętach.
Bateria się rozkłada, ale całe urządzenie jeszcze nie
Jedną z najważniejszych cech opracowanej konstrukcji jest jej czasowe działanie. W warunkach laboratoryjnych, w środowisku przypominającym sok żołądkowy, bateria działała prawidłowo przez około trzy dni, a następnie jej wydajność stopniowo spadała. Z czasem jej elementy ulegały rozpadowi.
W badaniach na żywych zwierzętach również utrzymywała działanie przez maksymalnie trzy dni. W przypadku większej baterii napięcie spadało jednak wraz z postępującą degradacją, z około 1,8 V do około 1,45 V trzeciego dnia.
Nie oznacza to jeszcze, że całe połykane urządzenie znika w organizmie - to istotne ograniczenie obecnej technologii. Sama bateria oraz jej biodegradowalne elementy ulegają rozpadowi, ale w zastosowanych urządzeniach pozostały elementy elektroniczne, których organizm nie może wchłonąć. W przypadku kapsułki stymulującej żołądek płytka drukowana została wydalona z organizmu zwierzęcia.
Naukowcy chcą więc w kolejnych etapach opracować także bioresorbowalne układy elektroniczne. Dopiero połączenie takiej elektroniki z rozkładającym się źródłem zasilania mogłoby doprowadzić do stworzenia w pełni bioresorbowalnych urządzeń przeznaczonych do połykania. Według zespołu takie badania mogłyby rozpocząć się za około dwa lata.
Bateria jest jednym z elementów, który zajmuje najwięcej miejsca w połykanym urządzeniu, więc rozwiązanie zapewniające potrzebną energię przy jednoczesnym zmniejszeniu rozmiaru kapsułki jest bardzo obiecujące
