Elektroniska apparater för konstant övervakning av patientens hälsa är mycket efterfrågade inom modern medicin. Dessa implantat kan tillverkas av helt säkra material och signalera ökningar i blodsockernivån, blodtrycket eller uppkomsten av ett immunsvar mot mediciner.
Trots den långsiktiga prestandan måste sådana enheter kasseras någon dag. Den uppenbara lösningen på problemet - kirurgisk avlägsnande av implantatet - är uppenbarligen inte den bästa, eftersom något sådant ingripande kommer att vara smärtsamt och ibland farligt.
Därför utvecklar många grupper av biotekniker runt om i världen enheter som är inbyggda i kroppen, som oberoende kan lösas upp och utsöndras från kroppen efter utgångsdatumet.
”Skapandet av sådana implantat är ett stort steg framåt. Fram till nyligen har inga framsteg gjorts i utvecklingen av lösliga biomedicinska enheter, säger medförfattare Jeffrey Borenstein från Draper Laboratory i Massachusetts, USA.
År 2012 introducerade Borensteins kollega materialforskare John Rogers från University of Illinois och hans grupp en serie biologiskt nedbrytbara kiselchips som kan kontrollera temperatur eller mekanisk deformation, överföra information till enheter utanför kroppen (till exempel till en dator eller smartphone) och till och med värma kroppsvävnader. för att förhindra infektion. Några av dessa marker drivs av induktionsspolar för att ge trådlös ström från externa källor.
Men trådlös överföring av energi är inte särskilt lämplig för subkutana implantat, som ibland behöver placeras i djupa lager av vävnad eller till och med under benet. Dessutom är komponenterna för sådana enheter mycket komplexa och besvärliga. Efter att ha undersökt dessa problem har Rogers och hans team skapat optimerade helt biologiskt nedbrytbara batterier för att komplettera befintliga enheter.
Ingenjörerna använde magnesiumfolie som anoder och en platta med järn, molybden eller volfram för katoder. Alla dessa metaller kommer långsamt att lösas upp i kroppen och deras joner i låga koncentrationer är biokompatibla.
Elektrolyten mellan de två elektroderna är en natriumfosfatbuffert. Alla dessa komponenter är också förpackade i en biologiskt nedbrytbar polymer, polyanhydrid.
Kampanjvideo:
Som rapporterats i en artikel publicerad i tidskriften Advanced Materials kan enhetens strömstyrka variera beroende på metallen som används i katoden. Till exempel ger en cell med en yta på en kvadratcentimeter med en 50 mikrometer tjock magnesiumanod och en 8 mikrometer tjock molybdenkatod 2,4 millimeter.
När batteriet är upplöst släpper det ut mindre än 9 milligram magnesium. (Foto av University of Illinois)
När det väl har lösts ut släpper ett sådant batteri mindre än 9 milligram magnesium, vilket är ungefär dubbelt så stort som magnesiumkoronartärstenten som har testats framgångsrikt i kliniska prövningar. Sådana koncentrationer kanske inte orsakar problem, sa Rogers.
Hittills kan alla versioner av den biologiskt nedbrytbara enheten fungera i kroppen i 24 timmar, men ingenjörer arbetar redan för att öka produktivitetens potentiella livslängd. De hoppas också öka energitätheten genom att ändra ytan på magnesiumfolien. Den stora ytan ökar materialets reaktivitet. Enligt preliminära uppskattningar av författarna till studien är ett batteri på 0,25 kvadratcentimeter och bara en mikrometer tjockt ganska kapabelt att driva en subkutan sensor under dagen.
Observera att Rogers utveckling är en potentiell konkurrent till Christopher Bettingers projekt: den senare använde hudpigmentet melanin för att skapa anoder för maximal säkerhet för bioackumulatorn. Ändå visade jämförande analyser att Rogers magnesiumanodbatterier är lika säkra men har en högre energitäthet och en längre livslängd, vilket innebär att de vinner.
Borenstein tillägger att alla sådana enheter kan användas inte bara för biomedicinsk övervakning och läkemedelsleverans utan också till exempel som sensorer för att kontinuerligt bedöma miljöns tillstånd. Nedbrytbara sensorer kan placeras i havet, där de övervakar graden av förorening, och i slutet av sitt liv löses de nästan spårlöst upp.