Mūsdienu medicīnā ļoti pieprasītas elektroniskas ierīces pastāvīgai pacienta veselības uzraudzībai. Šos implantus var izgatavot no pilnīgi drošiem materiāliem un signāla, kas palielina cukura līmeni asinīs, asinsspiedienu vai imūno reakciju uz medikamentiem.
Neskatoties uz ilgtermiņa veiktspēju, šādas ierīces kādreiz būs jāiznīcina. Acīmredzams problēmas risinājums - implanta ķirurģiska noņemšana - acīmredzami nav labākais, jo šāda iejaukšanās būs sāpīga un dažreiz bīstama.
Tāpēc daudzas bioinženieru grupas visā pasaulē izstrādā ierīces, kas ir iebūvētas ķermenī, kuras varētu neatkarīgi izšķīst un izdalīties no ķermeņa pēc derīguma termiņa beigām.
“Šādu implantu izveide ir liels solis uz priekšu. Vēl nesen šķīstošo biomedicīnas ierīču izstrādē nav gūti panākumi,”saka jaunais pētījuma līdzautors Džefrijs Borenšteins no Draper laboratorijas Masačūsetsā, ASV.
2012. gadā Borenšteina kolēģis materiālu zinātnieks Džons Rodžerss no Ilinoisas universitātes un viņa grupa ieviesa virkni bioloģiski noārdāmu silīcija mikroshēmu, kas spēj kontrolēt temperatūru vai mehānisko deformāciju, pārsūtīt informāciju ierīcēm ārpus ķermeņa (piemēram, datoram vai viedtālrunim) un pat sildīt ķermeņa audus. lai novērstu infekciju. Dažas no šīm mikroshēmām darbināja indukcijas spoles, kas nodrošināja bezvadu enerģiju no ārējiem avotiem.
Bet bezvadu enerģijas pārraide nav ļoti piemērota zemādas implantiem, kurus dažreiz nepieciešams ievietot dziļos audu slāņos vai pat zem kaula. Turklāt šādu ierīču komponenti ir ļoti sarežģīti un apgrūtinoši. Pēc šo problēmu izpētes Rodžerss un viņa komanda ir izveidojuši optimizētas pilnībā bioloģiski noārdāmas baterijas, lai papildinātu esošās ierīces.
Inženieri kā anodus izmantoja magnija foliju, bet katodiem - dzelzs, molibdēna vai volframa plāksni. Visi šie metāli organismā lēnām izšķīst, un to joni nelielā koncentrācijā ir bioloģiski savietojami.
Elektrolīts starp abiem elektrodiem ir nātrija fosfāta buferis. Visi šie komponenti ir iesaiņoti arī bioloģiski noārdāmā polimēra polianhidrīdā.
Reklāmas video:
Kā ziņots žurnālā Advanced Materials publicētajā rakstā, ierīces strāvas stiprums var atšķirties atkarībā no katodā izmantotā metāla. Piemēram, šūna viena kvadrātcentimetra platībā ar 50 mikrometru biezu magnija anodu un 8 mikrometru biezu molibdēna katodu dod 2,4 miliamperus.
Pēc izšķīdināšanas akumulators atbrīvo mazāk nekā 9 miligramus magnija. (Ilinoisas universitātes foto)
Pēc izšķīdināšanas šāda baterija atbrīvo mazāk nekā 9 miligramus magnija, kas ir aptuveni divreiz vairāk par magnija koronāro artēriju stentu, kas ir veiksmīgi pārbaudīts klīniskajos pētījumos. Šāda koncentrācija var neradīt problēmas, sacīja Rodžers.
Līdz šim visas bioloģiski noārdāmās ierīces versijas organismā spēj darboties 24 stundas, taču inženieri jau strādā, lai palielinātu potenciālo produktivitātes mūžu. Viņi arī cer palielināt enerģijas blīvumu, modificējot magnija folijas virsmu. Lielais virsmas laukums palielinās materiāla reaktivitāti. Saskaņā ar pētījuma autoru provizoriskām aplēsēm 0,25 kvadrātcentimetru akumulators un tikai viena mikrometra biezs akumulators ir diezgan spējīgs dienas laikā darbināt zemādas sensoru.
Ņemiet vērā, ka Rodžersa attīstība ir potenciāls konkurents Kristofera Betingera projektā: pēdējais izmantoja ādas pigmentu melanīnu, lai izveidotu anodus maksimālai bioakumulatora drošībai. Neskatoties uz to, salīdzinošā analīze parādīja, ka Rodžersa magnija anoda baterijas ir tikpat drošas, taču tām ir lielāks enerģijas blīvums un ilgāks kalpošanas laiks, kas nozīmē, ka tās uzvar.
Borenšteins piebilst, ka jebkuras šādas ierīces var izmantot ne tikai biomedicīnas uzraudzībai un zāļu piegādei, bet arī, piemēram, kā sensorus, lai nepārtraukti novērtētu vides stāvokli. Noārdāmos sensorus var novietot okeānā, kur tie uzrauga piesārņojuma pakāpi, un dzīves beigās tie izšķīdīs gandrīz bez pēdām.