Elektronisk udstyr til konstant overvågning af patientens helbred er meget efterspurgt i moderne medicin. Disse implantater kan fremstilles af helt sikre materialer og signalerer stigninger i blodsukkerniveauet, blodtrykket eller udseendet af et immunrespons på medicin.
På trods af den langsigtede ydeevne skal sådanne enheder bortskaffes en dag. Den åbenlyse løsning på problemet - kirurgisk fjernelse af implantatet - er helt klart ikke den bedste, da enhver sådan intervention vil være smertefuld og undertiden farlig.
Derfor udvikler mange grupper af bioteknikere over hele verden enheder, der er indbygget i kroppen, som uafhængigt kan opløses og fjernes fra kroppen efter udløbsdatoen.
”Oprettelsen af sådanne implantater er et stort skridt fremad. Indtil for nylig har der ikke været nogen fremskridt med udviklingen af opløselige biomedicinske enheder,”siger medforfatter Jeffrey Borenstein fra Draper Laboratory i Massachusetts, USA.
I 2012 præsenterede Borensteins kollega materialevidenskab John Rogers fra University of Illinois og hans gruppe en række biologisk nedbrydelige siliciumchips, der er i stand til at kontrollere temperatur eller mekanisk deformation, transmittere information til enheder uden for kroppen (for eksempel til en computer eller smartphone) og endda opvarme kropsvæv. for at forhindre infektion. Nogle af disse chips blev drevet af induktionsspoler, der leverede trådløs strøm fra eksterne kilder.
Men trådløs transmission af energi er ikke særlig velegnet til subkutane implantater, som nogle gange skal placeres i dybe lag af væv eller endda under knoglen. Derudover er komponenterne til sådanne enheder meget komplekse og besværlige. Efter at have undersøgt disse problemer har Rogers og hans team skabt optimerede fuldt biologisk nedbrydelige batterier til at supplere eksisterende enheder.
Ingeniørerne brugte magnesiumfolie som anoder og en plade af jern, molybdæn eller wolfram til katoder. Alle disse metaller opløses langsomt i kroppen, og deres ioner i lave koncentrationer er biokompatible.
Elektrolytten mellem de to elektroder er en natriumphosphatbuffer. Alle disse komponenter er også pakket i en biologisk nedbrydelig polymer, polyanhydrid.
Salgsfremmende video:
Som rapporteret i en artikel offentliggjort i tidsskriftet Advanced Materials kan enhedens strømstyrke variere afhængigt af det metal, der anvendes i katoden. For eksempel giver en celle med et areal på en kvadratcentimeter med en 50 mikrometer tyk magnesiumanode og en 8 mikrometer tyk molybdænkatode 2,4 millimeter.
Når det er opløst, frigiver batteriet mindre end 9 mg magnesium. (Foto af University of Illinois)
Når det er opløst frigiver et sådant batteri mindre end 9 milligram magnesium, hvilket er omtrent det dobbelte af den koronare arteriestent, der er testet med succes i kliniske forsøg. Sådanne koncentrationer forårsager muligvis ikke problemer, sagde Rogers.
Indtil videre er alle versioner af den biologisk nedbrydelige enhed i stand til at fungere i kroppen i 24 timer, men ingeniører arbejder allerede på at øge produktivitetens potentielle levetid. De håber også at øge energitætheden ved at ændre overfladen af magnesiumfolien. Det store overfladeareal øger materialets reaktivitet. Ifølge foreløbige skøn fra undersøgelsens forfattere er et batteri på 0,25 kvadratcentimeter og kun et mikrometer tykt ret i stand til at drive en subkutan sensor i løbet af dagen.
Bemærk, at Rogers 'udvikling er en potentiel konkurrent til Christopher Bettingers projekt: sidstnævnte brugte hudpigmentet melanin til at skabe anoder til maksimal sikkerhed for bioakkumulatoren. Ikke desto mindre viste komparativ analyse, at Rogers 'magnesiumanode-batterier er lige så sikre, men har en højere energitæthed og en længere levetid, hvilket betyder, at de vinder.
Borenstein tilføjer, at sådanne enheder ikke kun kan bruges til biomedicinsk overvågning og lægemiddelafgivelse, men også for eksempel som sensorer til løbende at vurdere miljøets tilstand. Nedbrydelige sensorer kan placeres i havet, hvor de overvåger forureningsgraden, og i slutningen af deres levetid opløses de næsten sporløst.