Elektronická zařízení pro neustálé sledování zdraví pacienta jsou v moderní medicíně velmi žádaná. Tyto implantáty mohou být vyrobeny ze zcela bezpečných materiálů a signalizují nárazy hladiny cukru v krvi, krevního tlaku nebo vzhledu imunitní odpovědi na léky.
Navzdory dlouhodobému výkonu bude třeba tato zařízení někdy zlikvidovat. Zjevné řešení problému - chirurgické odstranění implantátu - zjevně není nejlepší, protože každý takový zásah bude bolestivý a někdy i nebezpečný.
Proto mnoho skupin bioinženýrů po celém světě vyvíjí zařízení zabudovaná do těla, která by se mohla samostatně rozpustit a vylučovat z těla po uplynutí doby použitelnosti.
"Vytvoření takových implantátů je velkým krokem vpřed." Až donedávna nedošlo ve vývoji rozpustných biomedicínských zařízení k žádnému pokroku, “říká spoluautor Jeffrey Borenstein z nové studie v laboratoři Draper Laboratory v Massachusetts v USA.
V roce 2012 představil Borensteinův vědecký pracovník v oblasti materiálů John Rogers z University of Illinois a jeho skupina sérii biologicky odbouratelných křemíkových čipů schopných řídit teplotu nebo mechanickou deformaci, přenášet informace do zařízení mimo tělo (například do počítače nebo smartphonu) a dokonce zahřívat tkáně těla. aby se zabránilo infekci. Některé z těchto čipů byly napájeny indukčními cívkami, které zajišťovaly bezdrátové napájení z externích zdrojů.
Bezdrátový přenos energie však není příliš vhodný pro podkožní implantáty, které je někdy nutné ukládat do hlubokých vrstev tkáně nebo dokonce pod kost. Kromě toho jsou komponenty těchto zařízení velmi složité a těžkopádné. Po prozkoumání těchto problémů vytvořil Rogers a jeho tým optimalizované plně biologicky rozložitelné baterie, které doplňují stávající zařízení.
Inženýři použili jako anody hořčíkovou fólii a pro katody desku ze železa, molybdenu nebo wolframu. Všechny tyto kovy se v těle pomalu rozpouštějí a jejich ionty v nízkých koncentracích jsou biokompatibilní.
Elektrolytem mezi dvěma elektrodami je pufr fosforečnanu sodného. Všechny tyto složky jsou také baleny v biologicky odbouratelném polymeru, polyanhydridu.
Propagační video:
Jak je uvedeno v článku publikovaném v časopise Advanced Materials, intenzita proudu zařízení se může lišit v závislosti na kovu použitém v katodě. Například článek o ploše jednoho čtverečního centimetru s hořčíkovou anodou o tloušťce 50 mikrometrů a molybdenovou katodou o tloušťce 8 mikrometrů dává 2,4 miliampérů.
Po rozpuštění uvolní baterie méně než 9 miligramů hořčíku. (Foto: University of Illinois)
Po rozpuštění tato baterie uvolní méně než 9 miligramů hořčíku, což je přibližně dvojnásobek stentu koronární arterie hořčíku, který byl úspěšně testován v klinických studiích. Takové koncentrace nemusí způsobovat problémy, řekl Rogers.
Zatím jsou všechny verze biologicky odbouratelného zařízení schopné fungovat v těle po dobu 24 hodin, ale inženýři již pracují na zvýšení potenciální životnosti produktivity. Rovněž doufají, že zvýší hustotu energie úpravou povrchu hořčíkové fólie. Velká povrchová plocha zvýší reaktivitu materiálu. Podle předběžných odhadů autorů studie je baterie o velikosti 0,25 čtverečních centimetrů a tloušťce pouze jednoho mikrometru docela schopná napájet subkutánní senzor během dne.
Upozorňujeme, že Rogersův vývoj je potenciálním konkurentem projektu Christophera Bettingera: ten použil kožní pigment melanin k vytvoření anod pro maximální bezpečnost bioakumulátoru. Srovnávací analýza nicméně ukázala, že hořčíkové anodové baterie Rogers jsou stejně bezpečné, ale mají vyšší hustotu energie a delší životnost, což znamená, že vyhrávají.
Borenstein dodává, že jakákoli taková zařízení lze použít nejen k biomedicínskému monitorování a dodávce léků, ale také například jako senzory k nepřetržitému hodnocení stavu životního prostředí. Degradovatelné senzory lze umístit do oceánu, kde sledují stupeň kontaminace a na konci své životnosti se téměř beze stopy rozpustí.