Zinātnieki izstrādājuši norijamu bateriju, kas spēj darbināt medicīnas ierīces organismā un pēc tam pakāpeniski sadalīties. Līdz šim tehnoloģija pārbaudīta tikai cūkām, un ierīces ar šo bateriju darbojās līdz trim dienām.
Ja baterija izrādīsies droša un efektīva arī cilvēkiem, nākotnē tā varētu nodrošināt īslaicīgu ierīču darbību gremošanas traktā, novēršot nepieciešamību pēc operācijas, lai izņemtu parasto bateriju. “Esmu ļoti sajūsmināts par šo darbu,” sacīja Merilendas Universitātes elektrotehnikas un datortehnikas profesors Reza Ghodssi, kurš pētījumā nepiedalījās. Viņš norādīja, ka baterija parasti aizņem lielu daļu norijamas ierīces, tāpēc risinājums, kas nodrošina vajadzīgo enerģiju un vienlaikus samazina kapsulas izmēru, ir daudzsološs.
Baterija sadalās gremošanas traktā
Norijamas medicīnas ierīces var, piemēram, konstatēt asiņošanu, izdalīt medikamentus vai stimulēt konkrētus audus un orgānus. Parastās baterijas šādās ierīcēs ir ne tikai lielas, bet tām arī jābūt hermētiski noslēgtām, lai to iekšējie materiāli nenokļūtu apkārtējos audos un neradītu bojājumus.
Jaunā baterija, par kuru 21. septembrī ziņots žurnālā Nature Chemical Engineering, veidota no materiāliem, kas skābajā kuņģa un zarnu traktā pakāpeniski izšķīst. Pēc tam tos iespējams droši absorbēt, neatstājot kaitīgus fragmentus vai toksiskus blakusproduktus.
Baterija sastāv no vairākiem slāņiem. Magnija sakausējums veido anodu jeb negatīvo polu, savukārt katods jeb pozitīvais pols satur molibdēna trioksīdu un aktivēto ogli. Starp abām pusēm atrodas bioloģiski noārdāms elektrolīts, kas ļauj radīt elektrisko strāvu. Šie materiāli jau iepriekš izmantoti bioloģiski noārdāmu bateriju prototipos īslaicīgai medicīnas un valkājamās elektronikas darbināšanai.
Jaunajā konstrukcijā materiāli izveidoti plānā, porainā, papīram līdzīgā baterijā, kur saistviela ir celulozes nanofibrilas. Iepriekšējos prototipos tika izmantotas lielākas saistvielas daļiņas. Pētījuma līdzautors, Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta Translācijas inženierijas laboratorijas direktors Giovanni Traverso e-pastā portālam Live Science skaidroja, ka papīra struktūra uzlabo baterijas izturību un ļauj labāk kontrolēt tās sadalīšanos, vienlaikus saglabājot spēju ražot elektrību.
Vaska pārklājums pagarina darbības laiku
Lai kuņģa skābe bateriju neiznīcinātu pārāk ātri, pētnieki to pārklāja ar bišu vasku. Dažiem variantiem pievienots arī kandelilas vaska slānis; šo vasku iegūst no tuksneša krūma Euphorbia antisyphilitica. “Vaska pārklājums nav tikai iepakojums,” sacīja Traverso. “Tas ir būtisks konstrukcijas elements, kas kontrolē darbības laiku.”
Pētnieki izgatavoja divus baterijas variantus, tostarp tādu, kas ietilpst standarta želatīna kapsulā. Laboratorijas pārbaudēs mazākais variants nodrošināja aptuveni 1,77 voltu spriegumu un spēja uzkrāt un piegādāt 2 miliampērstundas uz kvadrātcentimetru — pietiekami mazjaudas elektronikai.
Lielākais variants nodrošināja aptuveni 1,84 voltus, un tā maksimālā ietilpība bija 3,5 miliampērstundas. Tas ļautu darbināt ierīces, kurām nepieciešams nedaudz vairāk enerģijas. Tomēr baterijas ietilpība joprojām ir maza, norādīja Ghodssi. “Lai šī tehnoloģija kļūtu vēl daudzsološāka, ietilpībai jābūt par kārtu lielākai,” viņš sacīja.
Pārbaudes ar cūkām
Pētnieki bateriju prototipus ievietoja 3D drukātās kapsulās un ar endoskopu — būtībā garu cauruli — ievadīja cūkām pa muti. Abi bateriju varianti darbojās līdz trim dienām, lai gan spriegums un ietilpība pakāpeniski samazinājās, baterijām sadaloties. Lielākā varianta spriegums pēc vienas dienas samazinājās no aptuveni 1,8 līdz 1,6 voltiem, bet trešajā dienā sasniedza aptuveni 1,45 voltus. Mazākā varianta spriegums šajā laikā saruka no 1,7 līdz 1,35 voltiem.
Mazākā baterija darbināja bezvadu RFID tagu, kas ļāva izsekot medikamentu uzņemšanai cūkām un pārraidīt informāciju no attāluma līdz 1,5 metriem. Eksperimentālo tagu novietoja barības vadā, un tas sazinājās ar uztvērēju, ļaujot pētniekiem noteikt, kad dzīvnieki norija medikamentu. Līdzīgas RFID sensoru tehnoloģijas iepriekš pārbaudītas arī cilvēkiem.
Lielākā baterija darbināja norijamu kapsulu, kas elektriski stimulēja kuņģi. Tas paaugstināja bada sajūtu veicinošā hormona grelīna līmeni asinīs, neradot redzamus audu bojājumus stimulācijas vietā. Kuņģa elektrisko stimulāciju jau izmanto cilvēkiem ar smagu gastroparēzi — stāvokli, kad kuņģa iztukšošanās ir palēnināta, — taču pētījumā pārbaudītā ar bateriju darbināmā kapsula joprojām ir eksperimentāla.
“Ir diezgan iespaidīgi, ka baterija spēj stabili un uzticami darboties, kamēr visa ierīce iziet cauri liela dzīvnieka gremošanas sistēmai,” sacīja bioelektronikas pionieris un materiālzinātnieks John Rogers no Ziemeļrietumu universitātes, kurš pētījumā nepiedalījās.
Baterija un tās bioloģiski noārdāmie komponenti sadalījās, taču kuņģa stimulācijas eksperimentā izmantotā elektroniskā shēmplātne — ne. Cūkas to izvadīja dabiskā ceļā. Rogers norādīja, ka visu ierīces daļu padarīšana par bioabsorbējamām varētu novērst risku, ka kāds atlikušais komponents iestrēgst gremošanas traktā.
Nākamais izaicinājums — paredzama sadalīšanās
Pētnieku lielākais atlikušais izaicinājums ir kontrolēt baterijas darbības ilgumu un padarīt tās sadalīšanos paredzamāku, sacīja Traverso. Komanda konstatēja arī atšķirības starp atsevišķām baterijām. Tās tika saistītas ar konstrukcijas īpatnībām, tostarp slāņu saskares laukumu, elektrolīta sadalījumu un vaska pārklājuma biezumu.
Tagad pētnieki strādā pie ražošanas standartizācijas un pārklājuma pielāgošanas, lai baterijas varētu izveidot darbam noteiktu laiku — no dažām stundām līdz vairākām dienām. Komanda plāno arī ilgākus testus apstākļos, kas precīzāk atdarina cilvēka gremošanas traktu.
Pēc Traverso teiktā, pētnieki gatavojas sākotnējam RFID sistēmas klīniskajam pētījumam, kas varētu sākties aptuveni pēc diviem gadiem. Pētījuma rezultāti publicēti darbā “Bioresorbable batteries for transient ingestible bioelectronics”, ko 2026. gadā sagatavoja Say, G., Erus, A., Morgan, L. un kolēģi žurnālam Nature Chemical Engineering.
Veselība
Zinātne
Zinātne