Sukūrė nuryjamą bateriją – ir štai kodėl tai svarbu

Kol kas baterija buvo išbandyta tik su kiaulėmis, kurių organizmuose ji maitino prietaisus iki trijų dienų. Jei bus įrodyta, kad ji yra saugi ir veiksminga žmonėms, ši baterija vieną dieną galėtų maitinti laikinuosius prietaisus žarnyne, taip išvengiant operacijos, reikalingos įprastinei baterijai išimti iš organizmo, kai prietaisas tampa nebereikalingas.

„Labai džiaugiuosi šiuo darbu, – saki Merilando universiteto (JAV) elektros ir kompiuterinės inžinerijos profesorius Reza Ghodssi, nedalyvavęs šiame tyrime. – Baterija yra viena iš sudedamųjų dalių, užimančių didžiąją dalį vietos nuryjamo prietaiso viduje, todėl bet kas, kas gali suteikti reikiamą energiją ir kartu sumažinti kapsulės dydį, yra labai perspektyvu.“

Nuryjamų medicininių prietaisų pavyzdžiai apima tuos, kurie aptinka kraujavimą, išskiria vaistus arba stimuliuoja konkrečius audinius ar organus.

Įprastos baterijos, naudojamos nuryjamuose prietaisuose, yra ne tik didelės, bet ir turi būti hermetiškai uždarytos, kad jų vidinės medžiagos neišsilietų į aplinkinius audinius ir nesukeltų žalos. Naujoji baterija, aprašyta žurnale „Nature Chemical Engineering“, pagaminta iš medžiagų, kurios palaipsniui ištirpsta rūgščiame virškinimo trakte ir vėliau gali būti saugiai absorbuojamos, nepalikdamos žalingų fragmentų ar toksiškų šalutinių produktų.

Baterija sudaryta iš sluoksnių. Anodą (baterijos neigiamą polių) sudaro magnio lydinys, o katode (teigiamame poliuje) yra molibdeno trioksidas ir aktyvuota anglis. Tarp šių dviejų dalių yra biologiškai skaidus elektrolitas, leidžiantis baterijai generuoti elektros srovę. Šios medžiagos buvo naudojamos ankstesniuose biologiškai skaidžių baterijų prototipuose, skirtuose laikiniems medicinos prietaisams ir dėvimai elektronikai.

Naujoji konstrukcija leidžia tai pritaikyti plonam, akytam, popieriaus pavidalo akumuliatoriui, naudojant celiuliozės nanofibriles kaip rišiklį – kai ankstesnėse versijose buvo naudojami stambesni rišikliai. „Popierinė struktūra padidina akumuliatoriaus tvirtumą ir leidžia geriau kontroliuoti jo irimą, tuo pačiu užtikrinant, kad jis ir toliau gamintų elektrą“, – sako tyrimo bendraautorius ir Masačiusetso Technologijos instituto Transliacinės inžinerijos laboratorijos direktorius Giovanni Traverso.

Kad baterija per greitai nesuirtų skrandžio rūgštyje, mokslininkai ją padengė bičių vašku. Kai kurios versijos taip pat buvo padengtos rimbinės karpažolės vaško sluoksniu, gautu iš dykumos krūmo Euphorbia antisyphilitica – siekiant užtikrinti ilgesnę apsaugą.

„Vaško danga nėra tiesiog pakuotė, – aiškina G. Traverso. – Tai yra pagrindinis konstrukcijos elementas, kuris kontroliuoja funkcinį tarnavimo laiką.“

Komanda pagamino dvi baterijos versijas, įskaitant vieną, kuri buvo pakankamai maža, kad tilptų į standartinę želatinos kapsulę. Laboratoriniais bandymais nustatyta, kad ji generavo apie 1,77 volto ir galėjo sukaupti bei perduoti 2 miliampervalandas vienam kvadratiniam centimetrui – tiek pakanka, kad maitintų mažos galios elektroninius prietaisus.

Didesnė šio akumuliatoriaus versija generavo apie 1,84 volto, o jos maksimali talpa siekė 3,5 miliampervalandų. Tai leistų maitinti prietaisus, kuriems reikia šiek tiek daugiau energijos. Tačiau kaip pažymi R. Ghodssi, akumuliatoriaus talpa vis dar yra maža. „Kad ši technologija taptų dar perspektyvesnė, jų talpa turi būti dešimt kartų didesnė“, – sakė jis.

Mokslininkai baterijų prototipus įdėjo į 3D spausdintas kapsules ir endoskopu – iš esmės ilgu vamzdeliu – juos per burną įvedė kiaulėms. Abiejų versijų baterijos veikė iki trijų dienų, nors jų įtampa ir talpa mažėjo, kai jos palaipsniui susidėvėjo. Didesnės baterijos įtampa po vienos dienos sumažėjo nuo maždaug 1,8 volto iki 1,6 volto, o trečią dieną – iki maždaug 1,45 volto, tuo tarpu mažesnės baterijos įtampa per tą patį laikotarpį sumažėjo nuo 1,7 volto iki 1,35 volto.

Komanda naudojo baterijas dviejų tipų medicininiams prietaisams kiaulių organizmuose maitinti. Mažesnė baterija maitino belaidę RFID (radijo dažnio atpažinimo) mikroschemą. Panašūs RFID pagrįsti jutikliai jau anksčiau buvo bandomi žmonėse, tačiau šiame tyrime naudotas jutiklis buvo eksperimentinis. Tyrėjai jį įdėjo į stemplę, kur žymė bendravo su imtuvu, esančiu iki 1,5 metro atstumu, ir leido tyrėjams nustatyti, kada kiaulės nurijo vaistą.

Didesnė baterija maitino nuryjamą kapsulę, kuri elektriškai stimuliavo skrandį. Tai padidino alkį skatinančio hormono grelino koncentraciją kraujyje, nesukeliant matomų audinių pažeidimų stimuliacijos vietoje. Skrandžio elektrinė stimuliacija jau taikoma žmonėms, sergantiems sunkia gastroparze – būkle, dėl kurios sulėtėja skrandžio ištuštėjimo greitis.

„Labai įspūdinga, kad baterija gali veikti stabiliai ir patikimai, kai visas prietaisas keliauja per virškinimo traktą didelio gyvūno modelyje“, – sako bioelektronikos pionierius ir medžiagų mokslininkas iš Šiaurės Vakarų universiteto (JAV) Johnas Rogersas, kuris nedalyvavo šiame tyrime.

Baterija ir jos biologiškai skaidžios sudedamosios dalys susiskaidė, tačiau elektroninė plokštė, naudota skrandžio stimuliacijos eksperimentui, nesuiro, ir kiaulės ją pašalino natūraliai. „Jei kiekviena prietaiso dalis būtų biologiškai resorbuojama, būtų galima pašalinti riziką, kad likusi sudedamoji dalis įstrigtų virškinimo trakte“, – teigia J. Rogersas.

Šiuo metu komanda dirba siekdama standartizuoti gamybą ir patobulinti dangą, kad baterijos galėtų būti suprojektuotos veikti tam tikrą laiką – nuo kelių valandų iki kelių dienų. Komanda taip pat planuoja atlikti ilgesnius bandymus sąlygomis, kurios kuo labiau atitiktų žmogaus virškinimo trakto aplinką. Pasak G. Traverso, jie rengiasi pirmajam RFID sistemos klinikiniam tyrimui, kuris galėtų prasidėti maždaug po dvejų metų, rašo „Live Science“.