Електронні пристрої для постійного стеження за станом здоров'я пацієнта дуже затребувані сучасною медициною. Такі імплантати можуть бути виготовлені з повністю безпечних матеріалів і сигналізують про стрибки рівня цукру, тиск або появу імунної реакції на приймаються ліки.
Незважаючи на довгострокову продуктивність, і такі пристрої коли-небудь необхідно буде утилізувати. Очевидне вирішення проблеми - хірургічне видалення імплантату - явно не найкраще, оскільки будь-яке подібне втручання буде болючим, а іноді і небезпечним.
Тому багато груп біоінженерів по всьому світу займаються розробкою вбудованих в організм пристроїв, які самостійно могли б розчинятися і виводиться з організму після закінчення терміну дії.
"Створення таких імплантатів - великий крок вперед. До недавнього часу прогресу в області розробок розчинених біомедичних пристроїв не спостерігалося ", - говорить співавтор нового дослідження Джеффрі Боренштейн (Jeffrey Borenstein) з Лабораторії Дрейпера в Массачусетсі, США.
У 2012 році колега Боренштейна матеріалознавець Джон Роджерс (John Rogers) з університету Іллінойса і його група представили серію біорозкладених кремнієвих чіпів, здатних контролювати температуру або механічну деформацію, передавати інформацію пристроям поза організмом (на комп'ютер або смартфон, наприклад) і навіть розігрівати тканини організму для запобігання інфікуванню. Деякі з цих чіпів працювали на індукційних котушках, що забезпечували бездротове харчування від зовнішніх джерел.
Але бездротова передача енергії не дуже підходить підшкірним імплантатам, які часом необхідно розмістити в глибоких шарах тканин або навіть під кісткою. До того ж, компоненти для таких пристроїв дуже складні і громіздки. Вивчивши всі ці проблеми, Роджерс і його команда створили на додаток до вже існуючих пристроїв повністю біорозкладаються акумулятори оптимальної конфігурації.
В якості анодів інженери використовували магнієву фольгу, а для катодів - пластину з заліза, молібдену або вольфраму. Всі ці метали будуть повільно розчинятися в організмі, а їх іони в низьких концентраціях є біосумісними.
Електроліт між двома електродами являє собою натрій-фосфатний буфер. Всі ці компоненти упаковані в також біорозкладуваний полімер поліангідрид.
Як повідомляється в статті, опублікованій в журналі Advanced Materials, сила струму пристрою може варіюватися в залежності від використовуваного в катоді металу. Наприклад, комірка площею в один квадратний сантиметр з магнієвим анодом товщиною 50 мікрометрів і молібденовим катодом товщиною 8 мікрометрів дають 2,4 мільйампера.
Після розчинення такий акумулятор випускає менше 9 міліграмів магнію, що приблизно вдвічі більше, ніж магнієвий стент для коронарної артерії, який був успішно протестований у клінічних випробуваннях. За словами Роджерса, такі концентрації не можуть викликати проблем.
Поки що всі версії біорозкладного пристрою здатні функціонувати в організмі протягом доби, але інженери вже працюють над збільшенням потенційного терміну продуктивності. Вони також сподіваються збільшити щільність енергії за рахунок модифікації поверхні магнієвої фольги. Велика площа поверхні підвищить реакційну здатність матеріалу. За попередніми оцінками авторів дослідження, батарея площею 0,25 квадратних сантиметрів і товщиною всього один мікрометр цілком здатна живити підшкірний датчик протягом дня.
Зазначимо, що розробка Роджерса є потенційним конкурентом проекту Крістофера Беттінгера (Christopher Bettinger): останній для максимальної безпеки біоакумулятора використовував для створення анодів шкірний пігмент меланін. Тим не менш, порівняльний аналіз показав, що батареї Роджерса з магнієвими анодами настільки ж безпечні, але при цьому мають більшу щільність енергії і більш тривалий термін служби, а значить, виграють.
Боренштейн додає, що будь-які подібні пристрої можуть бути використані не тільки для біомедичного моніторингу і доставки ліків, але і, наприклад, в якості сенсорів для постійної оцінки стану навколишнього середовища. Датчики можна помістити в океан, де вони стежитимуть за ступенем забруднення, а після закінчення терміну служби розчиняться майже без сліду.