Создана биорастворимая имплантируемая батарейка

Видео: Гальванический элемент из бумаги

Массачусетские ученые презентовали биорастворимую имплантируемую батарейку, которая поможет питать перспективные биомедицинские устройства, создаваемые для мониторинга показателей больного или доставки лекарственных веществ.

Новый элемент питания принципиально отличается от аналогов тем, что после использования может полностью разлагаться в теле безо всяких последствий для здоровья.

«Это действительно крупный прорыв. До сегодняшнего дня не было сделано сколь либо серьезных достижений в этом направлении», - сказал прессе Джеффри Боренштейн (Jeffrey Borenstein), биомедицинский инженер из Лаборатории Дрейпера, некоммерческого исследовательского центра в Кембридже.

В 2012 году исследователь новых материалов Джон Роджерс (John Rogers) из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне представил целую серию биорастворимых силиконовых чипов, которые могут отслеживать температуру и механическое натяжение, отправляя результаты на внешние устройства. Эти микроскопические чипы даже способны нагревать ткани для активации иммунных процессов и предотвращения инфекции (статья в журнале Nature называлась Biodegradable electronics here today, gone tomorrow).

Некоторые из этих чипов получали энергию для питания извне при помощи индукционных устройств.

Но беспроводная передача энергии, по словам Боренштейна, проблематична для устройств, которые должны имплантироваться в глубокие ткани, в том числе в кости. Компоненты, которые получают энергию таким способом, технически сложны, велики и дороги. Исследователь говорит: «Все, что вы разместите там, должно занимать драгоценное пространство».

Чтобы найти рациональное решение, Роджерс и его коллеги разработали элемент питания миллиметровой толщины, который со временем полностью растворяется в тканях и не требует извлечения.

Растворимые имплантируемые устройства

Их изобретения, описанные в последнем выпуске Advanced Materials, используют аноды из магниевой фольги и катоды из железа, молибдена или вольфрама. Все эти материалы будут медленно растворяться в тканях, а в низких концентрациях их ионы не вредны для организма.

Электролитом между двумя электродами будет служить фосфатный буферный раствор. Вся система упакована в каркас из биорастворимого полимера полиангидрида.



Параметры тока варьируют в зависимости от материала, используемого в катоде. К примеру, на одном квадратном сантиметре батарейки с магниевым анодом (толщина 50 микрометров) и молибденовым катодом (толщина 8 микрометров) вырабатывается ток силой 2,4 мА. После растворения батарейка высвобождает 9 миллиграммов магния – всего в 2 раза больше, чем после установки новых стентов для коронарных артерий.

Такая концентрация, по словам Роджерса, просто не может вызвать у пациента проблемы со здоровьем. Он говорит: «Почти все кирпичики нового элемента питания уже готовы для производства полноценных биорастворимых имплантатов».

Все версии могут поддерживать стабильный ток на протяжении одного дня, но пока не более. Команда надеется улучшить батарейки и существенно нарастить мощность на единицу массы, изменив рельеф магниевой поверхности и увеличив площадь электрода.

Авторы считают, что батарейка площадью 0,25 квадратного сантиметра и толщиной 1 микрометр будет способна питать какой-нибудь имплантируемый сенсор на протяжении суток.

В полевых условиях

Такие устройства могут найти применение во многих областях.

К примеру, они пригодятся для питания многочисленных сенсоров, которые используют власти и экологи для замеров различных параметров окружающей среды - почвы, и даже океанских вод. Такие сенсоры вместе с батарейками, сделав свое дело, попросту растворятся в океане без ущерба для экологии.

Малые размеры – это наибольший плюс изобретения. Маленькая стопка таких батареек дает напряжение 1,6 В – достаточно, чтобы питать какой-нибудь светодиод или генерировать радиосигнал.

Магниевые батарейки не являются единственным решением современной науки. В прошлом году эксперт по биоматериалам Кристофер Беттингер (Christopher Bettinger) из Университета Карнеги-Меллон в Питтсбурге (Пенсильвания, США) представил съедобную натрий-ионную батарейку с электродами из меланинового пигмента. Но команда Роджерса сообщает, что их магниевая батарейка имеет лучшие показатели на единицу площади и работает дольше.

Боренштейн надеется, что дальнейшие работы над обоими типами элементов позволят без проблем питать перспективные вживляемые устройства, которые отслеживают показатели пациента или в нужный момент вводят ему препараты (к примеру, противосудорожные средства в момент приступа).