Elektronske naprave za nenehno spremljanje bolnikovega zdravja so v sodobni medicini zelo zahtevane. Ti vsadki so lahko izdelani iz popolnoma varnih materialov in signalizirajo povišanje ravni sladkorja v krvi, krvni tlak ali pojav imunskega odziva na zdravila.
Kljub dolgoročnemu delovanju bo treba takšne naprave nekoč odstraniti. Očitna rešitev problema - kirurško odstranjevanje vsadka - očitno ni najboljša, saj bo vsak tak poseg boleč in včasih nevaren.
Zato številne skupine bioinženirjev po vsem svetu razvijajo naprave, ki so vgrajene v telo, ki bi se lahko samostojno raztopile in izločile iz telesa po datumu izteka.
»Ustvarjanje tovrstnih vsadkov je velik korak naprej. Do nedavnega ni bilo napredka pri razvoju topnih biomedicinskih pripomočkov, «pravi soavtor Jeffrey Borenstein iz laboratorija Draper v Massachusettsu v ZDA.
Leta 2012 je kolega Borensteinov znanstvenik za materiale John Rogers z Univerze v Illinoisu in njegova skupina predstavil vrsto biološko razgradljivih silicijevih čipov, ki lahko nadzorujejo temperaturo ali mehanske deformacije, prenašajo informacije na naprave zunaj telesa (na primer na računalnik ali pametni telefon) in celo segrevajo telesna tkiva. za preprečevanje okužbe. Nekatere od teh čipov so napajale indukcijske tuljave, ki so zagotavljale brezžično napajanje iz zunanjih virov.
Toda brezžični prenos energije ni zelo primeren za podkožne vsadke, ki jih je treba včasih namestiti v globoke plasti tkiva ali celo pod kostjo. Poleg tega so komponente za take naprave zelo zapletene in okorne. Po preučitvi teh težav sta Rogers in njegova ekipa ustvarila optimizirane popolnoma biološko razgradljive baterije za dopolnitev obstoječih naprav.
Inženirji so kot anode uporabili magnezijevo folijo, za katode pa ploščo iz železa, molibdena ali volframa. Vse te kovine se bodo v telesu počasi raztapljale in njihovi ioni v nizkih koncentracijah so biološko združljivi.
Elektrolit med obema elektrodama je natrijev fosfatni pufer. Vse te komponente so pakirane tudi v biološko razgradljivem polimeru, polihidridu.
Promocijski video:
Kot poročajo v članku, objavljenem v reviji Advanced Materials, se jakost naprave lahko razlikuje glede na kovino, uporabljeno v katodi. Na primer celica s površino enega kvadratnega centimetra z magnezijevo anodo debeline 50 mikrometrov in molibdenovo katodo debeline 8 mikrometrov daje 2,4 miliampera.
Ko se baterija raztopi, sprosti manj kot 9 miligramov magnezija. (Foto University of Illinois)
Ko se baterija raztopi, sprosti manj kot 9 miligramov magnezija, kar je približno dvakrat več magnetijevega stenta za koronarne arterije, ki je bil uspešno preizkušen v kliničnih preskušanjih. Takšna koncentracija morda ne bo povzročala težav, je dejal Rogers.
Zaenkrat lahko vse različice biološko razgradljive naprave delujejo v telesu 24 ur, a inženirji si že prizadevajo za povečanje potencialne življenjske dobe produktivnosti. Upajo tudi, da bodo povečali gostoto energije s spreminjanjem površine magnezijeve folije. Velika površina bo povečala reaktivnost materiala. Po predhodnih ocenah avtorjev študije je baterija z 0,25 kvadratnih centimetrov in debelino le enega mikrometra povsem sposobna podnevi napajati podkožni senzor.
Upoštevajte, da je Rogersov razvoj potencialni konkurent projektu Christopherja Bettingerja: slednji je s kožnim pigmentom melaninom ustvaril anode za največjo varnost bioakumulatorja. Kljub temu je primerjalna analiza pokazala, da so Rogersove magnezijeve anodne baterije prav tako varne, vendar imajo večjo gostoto energije in daljšo življenjsko dobo, kar pomeni, da zmagajo.
Borenstein dodaja, da se takšne naprave lahko uporabljajo ne samo za biomedicinsko spremljanje in dostavo zdravil, temveč tudi na primer kot senzorji za stalno ocenjevanje stanja okolja. Razgradljive senzorje lahko postavimo v ocean, kjer spremljajo stopnjo kontaminacije, na koncu življenja pa se bodo skoraj brez sledi raztopili.