Зазвичай випадкове проковтування батареї вимагає негайного звернення до лікаря. Однак це не стосується нової паперової батареї для прийняття всередину, розробленої вченими з Массачусетського технологічного інституту (MIT). Такий пристрій може живити медичні прилади, що знаходяться всередині організму, а потім розкладатися безпечно.
У ході випробувань на свинях ця паперова батарейка "виробляла достатньо енергії для виконання важливих функцій у шлунково-кишковому тракті, включаючи бездротову передачу даних на відстань до метра та безперервну електростимуляцію протягом кількох днів", — зазначає Джованні Траверсо, професор машинобудування в MIT.
"Розумні" таблетки та електроніка для прийняття всередину
У сфері охорони здоров'я спостерігається загальна тенденція розробки так званих "розумних" таблеток. Ці електронні пристрої, призначені для вживання, здатні аналізувати стан організму і проводити лікування зсередини в режимі реального часу. Однак для їх роботи необхідне безпечне та надійне джерело живлення.
Звичайні лужні або літій-іонні батареї можуть становити смертельну небезпеку, якщо їх захисна оболонка пошкодиться всередині організму. Раніше робилися спроби розробити методи отримання енергії безпосередньо всередині тіла для живлення таких пристроїв, але вони зазвичай забезпечували лише низький і нестабільний рівень енергопостачання. Вчені також створювали біорозкладні батареї, але їх енергомісткість часто виявлялася обмеженою.
Траверсо та його колеги розробили батарейку на паперовій основі з електродами з магнію та триоксиду молібдену; докладний опис цієї технології було опубліковано в журналі Nature Chemical Engineering. Раніше ці матеріали вже розглядалися як компоненти біорозкладних батарейок, проте для скріплення великих частинок використовувалися громіздкі речовини. В результаті виходили товсті електроди, процес розкладання яких займав багато часу.
У новій батарейці для фіксації електродних матеріалів використовуються целюлозні нанофібрили (по суті, папір). За словами Траверсо, ці фібрили відрізняються міцністю, здатні утримувати частинки електродних матеріалів у своїй пористій структурі, а також можуть бути тонкими та біорозкладними.
Електроліти - речовини, що забезпечують переміщення електричних зарядів між електродами для вироблення енергії, - часто токсичні. У новій паперовій батарейці як електроліт застосовується біорозкладний гель на основі іонної рідини (суміші хлориду холіну та молочної кислоти). Як зазначає Траверсо, це рішення забезпечило більш стабільну роботу в порівнянні з іншими варіантами електролітів, що біорозкладаються.
"Критично важливим етапом також стала розробка системи інкапсуляції", - додає Траверсо. "Якщо шлунковий сік досягав батареї дуже швидко, її енергомісткість знижувалася передчасно. Якщо захисна оболонка зберігалася занадто довго, пристрій не руйнувався належним чином. Покриття з натурального воску дозволило уповільнити проникнення рідини та регулювати термін служби пристрою."
Паперова батарея для шлунково-кишкових пристроїв
У ході випробувань на живих свинях батареї виробляли пікову напругу 1,84 вольта та зберігали працездатність у шлунку тварин до трьох днів. Вони могли мати RFID-мітку всередині капсули, яка після ковтання підтримувала стійкий бездротовий зв'язок з приймачем, що знаходився на відстані 1,5 метра. Теоретично подібні "розумні" капсули могли б допомогти лікарям відстежувати, чи пацієнт справді прийняв призначені ліки.
Батареї також можуть забезпечувати енергією капсулу для електростимуляції шлунка протягом 20 хвилин - це метод електроцевтики, що застосовується при лікуванні захворювань шлунково-кишкового тракту, що супроводжуються порушенням травлення, нудотою або втратою апетиту. Якогось помітного пошкодження тканин внаслідок стимуляції не спостерігалося. RFID-мітка та електронна плата, що відповідає за електростимуляцію, не були біорозкладними, але виводилися з організму природним шляхом.
"Ця батарея потенційно може живити датчики, що проковтуються, вимірюють температуру, рівень pH, тиск, моторику або біохімічні показники; системи передачі фізіологічних даних; пристрої для контрольованого доставлення ліків; системи тимчасової реєстрації електрофізіологічних сигналів, а також шлункові чи кишкові електроцевтичні пристрої", – каже Траверсо. "Вона може бути особливо корисна для пристроїв, розрахованих на перебування в шлунку протягом кількох днів, оскільки біорозчинне джерело живлення здатне зменшити необхідність вилучення пристрою або зовсім усунути її."
Наразі вчені розробляють прототипи пристроїв, що поєднують ці нові акумулятори з антенами та RFID-системами, що біорозкладаються. Мета - проведення клінічних випробувань на людях устрою, здатного відстежувати дотримання пацієнтами режиму прийняття ліків; "Ми плануємо почати тестувати їх приблизно через два роки", - говорить Траверсо.
