Учёные создали проглатываемую бумажную батарею, способную питать медицинские приборы внутри организма, а после выполнения задачи постепенно разлагаться. На данный момент устройство испытали только на свиньях, где оно обеспечивало работу приборов до трёх дней. Если безопасность и эффективность подтвердятся на людях, такая батарея в перспективе сможет питать временные устройства в кишечнике и избавит от необходимости хирургического извлечения обычного элемента питания, когда он больше не нужен.
«Я очень воодушевлён этой работой, — заявил Реза Годсси, профессор электротехники и вычислительной техники Мэрилендского университета, не участвовавший в исследовании. — Батарея — это компонент, занимающий большую часть пространства в проглатываемом устройстве, поэтому всё, что способно дать нужную мощность и уменьшить размер капсулы, выглядит очень перспективно». К проглатываемым медицинским приборам относятся, например, устройства для обнаружения кровотечений, доставки лекарств или стимуляции определённых тканей и органов.
Обычные батареи, применяемые в таких приборах, не только крупные — их приходится держать герметично закрытыми, чтобы внутренние материалы не просачивались в окружающие ткани и не повреждали их. Новая батарея, описанная в понедельник (21 сентября) в журнале Nature Chemical Engineering, изготовлена из материалов, которые постепенно растворяются в кислой среде желудочно-кишечного тракта и затем безопасно усваиваются, не оставляя вредных фрагментов или токсичных побочных продуктов.
Батарея собрана слоями. Анод (отрицательный полюс) образует магниевый сплав, а катод (положительный полюс) содержит триоксид молибдена и активированный уголь. Между сторонами находится биоразлагаемый электролит, позволяющий вырабатывать электрический ток. Эти материалы уже использовались в более ранних прототипах биоразлагаемых батарей для временной медицинской и носимой электроники. Новый дизайн превращает их в тонкую пористую батарею, похожую на бумагу, где в качестве связующего применяются нанофибриллы целлюлозы, тогда как в прежних версиях связующие были крупнее. «Бумажная структура повышает прочность батареи и контроль над её разложением, при этом позволяя ей вырабатывать электричество», — рассказал Live Science по электронной почте соавтор исследования Джованни Траверсо, руководитель Лаборатории трансляционной инженерии Массачусетского технологического института.
Чтобы батарея не разрушалась слишком быстро в желудочном соке, исследователи покрыли её пчелиным воском. Некоторые версии дополнительно получили слой воска из канделильского кустарника — его получают из пустынного растения Euphorbia antisyphilitica — для более длительной защиты. «Восковое покрытие — это не просто упаковка, — сказал Траверсо. — Это ключевой элемент конструкции, управляющий сроком службы». Команда изготовила две версии батареи, включая ту, что помещается в стандартную желатиновую капсулу. В лабораторных тестах она давала около 1,77 вольта и могла запасать и отдавать 2 миллиампер-часа на квадратный сантиметр — этого достаточно для питания маломощной электроники. Более крупная версия выдавала примерно 1,84 вольта и имела максимальную ёмкость 3,5 миллиампер-часа, что позволяет питать приборы с чуть большим энергопотреблением. Однако ёмкость батареи всё ещё невысока, отметил Годсси. «Им нужно на порядок увеличить ёмкость, чтобы технология стала ещё перспективнее», — сказал он.
Исследователи поместили прототипы батарей в напечатанные на 3D-принтере капсулы и вводили их свиньям через рот с помощью эндоскопа — по сути длинной трубки. Обе версии работали до трёх дней, хотя их напряжение и ёмкость падали по мере постепенного разложения. Напряжение крупной батареи снизилось с примерно 1,8 вольта до 1,6 вольта через сутки и до около 1,45 вольта к третьему дню, а меньшая упала с 1,7 вольта до 1,35 вольта за тот же период. «Впечатляет, что батарея работает стабильно и надёжно, пока всё устройство проходит через желудочно-кишечный тракт крупного животного», — сказал Джон Роджерс, пионер в области биоэлектроники и материаловед Северо-Западного университета, не участвовавший в исследовании.
Команда использовала батареи для питания двух типов медицинских приборов внутри свиней. Меньшая батарея питала беспроводную метку радиочастотной идентификации (RFID). Похожие RFID-датчики уже тестировались на людях, но применённый в этом исследовании был экспериментальным. Исследователи разместили его в пищеводе, где метка связывалась с приёмником на расстоянии до 5 футов (1,5 метра) и позволяла определить, когда свиньи проглотили лекарство. Крупная батарея питала проглатываемую капсулу, которая электрически стимулировала желудок; это повышало уровень стимулирующего голод гормона грелина в крови, не вызывая видимых повреждений тканей в месте стимуляции. Электрическая стимуляция желудка уже применяется у людей с тяжёлым гастропарезом — состоянием, при котором замедляется опорожнение желудка; испытанная в этом исследовании капсула с батарейным питанием является экспериментальной.
Батарея и её биоразлагаемые компоненты разложились, но электронная плата, использовавшаяся в эксперименте по стимуляции желудка, нет — вместо этого свиньи вывели её естественным путём. «Если сделать каждую часть устройства биоразлагаемой, можно устранить риск того, что оставшийся компонент застрянет в желудочно-кишечном тракте», — сказал Роджерс. По словам Траверсо, главная оставшаяся задача исследователей — контролировать срок службы батареи и сделать её разложение более предсказуемым. Учёные также обнаружили некоторую вариабельность между батареями, которую объяснили факторами их конструкции, включая площадь контакта между слоями, распределение электролита и различия в толщине воскового покрытия. Сейчас команда работает над стандартизацией производства и настройкой покрытия, чтобы батареи можно было проектировать на определённый срок работы — от нескольких часов до нескольких дней. Кроме того, планируется провести более длительные испытания в условиях, ближе имитирующих человеческий желудочно-кишечный тракт. По словам Траверсо, исследователи готовятся к первым клиническим испытаниям RFID-системы, которые могут начаться примерно через два года.