Специалисты Массачусетского технологического института (MIT) разработали миниатюрные батареи из материалов, безопасных для организма человека. Такие элементы питания предназначены для глотаемых электронных устройств. Их применение способно повысить безопасность пациентов и снизить вред для окружающей среды после выведения батарей из организма.
В ходе нового исследования учёные продемонстрировали, что батареи напряжением 1,84 вольта способны питать два типа устройств. Первое — RFID-метка (радиочастотная метка), передающая сигнал из желудка. Второе — капсула, создающая слабый электрический ток для стимуляции выработки гормона голода грелина. По словам исследователей, такие батареи с электродами из магния и триоксида молибдена могут найти применение и в других глотаемых приборах для диагностики или терапии.
«Для многих разрабатываемых нами систем требуется питание, и мы обеспечиваем его разными способами, — говорит Джованни Траверсо, профессор машиностроения MIT, гастроэнтеролог больницы Бригама и женщин и ассоциированный член Института Брода MIT и Гарварда. — Часто мы используем батареи, поэтому здесь встал вопрос: можем ли мы создать биоразлагаемую батарею и затем применить её в целом ряде областей?» Траверсо является старшим автором статьи, опубликованной в журнале Nature Chemical Engineering. Ведущий автор работы — бывший постдок MIT Мехмет Гирайхан Сай.
За последнее десятилетие Траверсо и его коллеги создали глотаемые капсулы для контроля жизненных показателей, доставки различных лекарств и выявления передозировки опиоидами. Не всем этим устройствам нужен источник питания. Там, где он необходим, исследователи применяли внешнюю беспроводную передачу энергии, собирали энергию из желудочно-кишечного тракта или использовали небольшие монетные батарейки. Однако такие элементы, обычно содержащие литий, оксид серебра или другие металлы, могут быть опасны при повреждении защитного покрытия во время прохождения по ЖКТ. Чтобы сделать батарею безопаснее и обеспечить полную автономность систем без внешнего питания, учёные обратились к металлам, которые могут служить электродами и при этом безопасны для человека в малых количествах, — магнию и триоксиду молибдена.
«Эти материалы известны как относительно безопасные. Это было главным стимулом — думать о материалах, которые переносятся человеком», — отмечает Траверсо. Магний использован для анода, триоксид молибдена — для катода. Батарея также содержит гелевый электролит на основе ионной жидкости, а вся система биоразлагаема: она полностью распадается и усваивается организмом. Исследователи спроектировали два варианта батареи для разных задач — диск диаметром 7,5 миллиметра и прямоугольный брусок длиной 24 миллиметра. При испытании в среде, близкой к желудочному соку, батареи работали нормально около трёх дней, затем их характеристики постепенно снижались, а в течение нескольких недель они полностью разрушались.
Прямоугольную батарею встроили в разлагаемое устройство, впервые представленное в 2023 году, которое подаёт слабый ток на слизистую желудка. Ранее лаборатория Траверсо показала, что такой импульс стимулирует эндокринные клетки желудка к выработке грелина. Это может помочь при заболеваниях, связанных с тошнотой или потерей аппетита, например при кахексии (потере массы тела у пациентов с раком или другими хроническими болезнями). Первоначальная версия устройства питалась от двух монетных батарей из оксида серебра. Заменив их на новые магний-молибденовые элементы, исследователи сделали почти всё устройство, кроме печатной платы, биоразлагаемым. Неусвоенные компоненты выводятся через ЖКТ. В новой работе показано, что батарея обеспечивала непрерывную электростимуляцию до трёх дней. Опыты на животных выявили, что 20 минут стимуляции в желудке повышают уровень грелина примерно на 50 процентов. «Эта работа интересна тем, что мы смогли показать: биоразлагаемая батарея — не просто концепция. Она действительно питает клинически значимые функции внутри желудочно-кишечного тракта, а затем просто растворяется», — говорит Сай.
Батарею также встроили в RFID-устройство для помощи пациентам в соблюдении графика приёма лекарств. Капсула передаёт своё местоположение из ЖКТ через биоразлагаемую RFID-метку из молибдена и целлюлозы. Более ранняя система SAFARI, представленная лабораторией Траверсо в январе, использовала пассивные метки с накоплением энергии, что ограничивало дальность связи. В новом исследовании опыты на животных показали, что метки эффективно питаются от дисковой биоразлагаемой батареи. Устройство могло непрерывно передавать сигнал из ЖКТ на расстояние до 1,5 метра. Исследователи планируют клиническое испытание системы SAFARI примерно через два года. Подобные системы не только безопаснее для пациентов, но и снижают воздействие на окружающую среду, поскольку выведенные батареи в итоге попадают в сточные воды. «Преимущества двойные: возможность биоразложения и потенциал минимизировать воздействие на окружающую среду, потому что материалы разлагаются и в природе», — заключает Траверсо. Исследование финансировали Novo Nordisk, именная профессура Карла ван Тассела, кафедра машиностроения MIT, отделение гастроэнтерологии больницы Бригама и женщин и Агентство перспективных исследовательских проектов в области здравоохранения США (ARPA-H).