Urządzenia elektroniczne do ciągłego monitorowania stanu zdrowia pacjenta są bardzo poszukiwane we współczesnej medycynie. Implanty te mogą być wykonane z całkowicie bezpiecznych materiałów i sygnalizują wzrosty poziomu cukru we krwi, ciśnienie krwi lub pojawienie się odpowiedzi immunologicznej na leki.
Pomimo długotrwałej wydajności takie urządzenia będą kiedyś musiały zostać usunięte. Oczywiste rozwiązanie problemu - chirurgiczne usunięcie implantu - z pewnością nie jest najlepsze, ponieważ każda taka interwencja będzie bolesna, a czasem niebezpieczna.
Dlatego wiele grup bioinżynierów na całym świecie opracowuje urządzenia, które są wbudowane w organizm, które mogą samodzielnie rozpuszczać się i usuwać z organizmu po upływie terminu ważności.
„Stworzenie takich implantów to duży krok naprzód. Do niedawna nie było postępu w rozwoju rozpuszczalnych urządzeń biomedycznych”- mówi współautor Jeffrey Borenstein z Draper Laboratory w Massachusetts w USA.
W 2012 roku kolega Borensteina, naukowiec zajmujący się materiałami, John Rogers z University of Illinois, wraz ze swoją grupą zaprezentował serię biodegradowalnych chipów krzemowych zdolnych do kontrolowania temperatury lub mechanicznych deformacji, przekazywania informacji do urządzeń znajdujących się poza ciałem (na przykład do komputera lub smartfona), a nawet ogrzewania tkanek ciała. aby zapobiec infekcji. Niektóre z tych układów były zasilane przez cewki indukcyjne, które zapewniały bezprzewodowe zasilanie ze źródeł zewnętrznych.
Jednak bezprzewodowa transmisja energii nie jest odpowiednia dla implantów podskórnych, które czasami trzeba umieszczać w głębokich warstwach tkanki lub nawet pod kością. Ponadto komponenty do takich urządzeń są bardzo złożone i nieporęczne. Po zbadaniu tych problemów Rogers i jego zespół stworzyli zoptymalizowane, w pełni biodegradowalne akumulatory, stanowiące uzupełnienie istniejących urządzeń.
Inżynierowie zastosowali folię magnezową jako anody, a jako katody płytkę z żelaza, molibdenu lub wolframu. Wszystkie te metale będą powoli rozpuszczać się w organizmie, a ich jony w niskich stężeniach są biokompatybilne.
Elektrolit między dwiema elektrodami to bufor fosforanu sodu. Wszystkie te komponenty są również pakowane w biodegradowalny polimer, polibezwodnik.
Film promocyjny:
Jak donosi artykuł opublikowany w czasopiśmie Advanced Materials, natężenie prądu urządzenia może się różnić w zależności od metalu użytego w katodzie. Na przykład ogniwo o powierzchni jednego centymetra kwadratowego z anodą magnezową o grubości 50 mikrometrów i katodą molibdenową o grubości 8 mikrometrów daje 2,4 miliampera.
Po rozpuszczeniu bateria uwalnia mniej niż 9 miligramów magnezu (zdjęcie: University of Illinois)
Po rozpuszczeniu bateria uwalnia mniej niż 9 miligramów magnezu, czyli około dwa razy więcej niż magnezowy stent do tętnic wieńcowych, który został pomyślnie przetestowany w badaniach klinicznych. Takie stężenia mogą nie powodować problemów, powiedział Rogers.
Jak dotąd wszystkie wersje biodegradowalnego urządzenia są w stanie funkcjonować w organizmie przez 24 godziny, ale inżynierowie już pracują nad zwiększeniem potencjalnego czasu życia produktywności. Mają również nadzieję na zwiększenie gęstości energii poprzez modyfikację powierzchni folii magnezowej. Duża powierzchnia zwiększa reaktywność materiału. Według wstępnych szacunków autorów badania, bateria o powierzchni 0,25 cm2 i grubości zaledwie jednego mikrometra jest w stanie zasilić czujnik podskórny w ciągu dnia.
Należy pamiętać, że rozwój Rogersa jest potencjalnym konkurentem dla projektu Christophera Bettingera: ten ostatni wykorzystał melaninę będącą pigmentem skóry do stworzenia anod zapewniających maksymalne bezpieczeństwo bioakumulatora. Niemniej jednak analiza porównawcza wykazała, że baterie anodowe magnezu Rogers są równie bezpieczne, ale mają wyższą gęstość energii i dłuższą żywotność, co oznacza, że wygrywają.
Borenstein dodaje, że każde takie urządzenie może być wykorzystywane nie tylko do monitorowania biomedycznego i dostarczania leków, ale także np. Jako czujniki do ciągłej oceny stanu środowiska. Degradowalne czujniki można umieścić w oceanie, gdzie monitorują stopień zanieczyszczenia, a pod koniec życia rozpuszczają się prawie bez śladu.
