Noile baterii biodegradabile dezvoltate de MIT se pot descompune în tractul gastrointestinal

Imaginează-ți o capsulă medicală care poate fi înghițită, își desfășoară misiunea în interiorul organismului, transmite informații sau produce o stimulare terapeutică, iar apoi bateria care a alimentat-o nu mai trebuie recuperată. În loc să rămână în corp sau să ajungă în mediul înconjurător sub forma unei baterii convenționale, aceasta se degradează treptat.

Aceasta este ideea aflată în spatele unor noi baterii biodegradabile dezvoltate de cercetătorii de la Massachusetts Institute of Technology (MIT). Tehnologia ar putea contribui la dezvoltarea unei noi generații de dispozitive electronice ingerabile pentru administrarea medicamentelor, monitorizarea organismului și tratamente medicale.

De ce sunt necesare baterii biodegradabile pentru dispozitivele ingerabile

În ultimii ani, cercetătorii au dezvoltat capsule care pot fi înghițite și care desfășoară diverse funcții în tractul gastrointestinal. Unele pot monitoriza parametri fiziologici, altele pot administra medicamente sau pot detecta anumite probleme medicale. Problema apare atunci când aceste dispozitive au nevoie de o sursă proprie de energie.

O soluție utilizată până acum a fost alimentarea fără fir, prin energie transmisă din exterior, sau recuperarea energiei disponibile în tractul gastrointestinal. În alte cazuri au fost folosite baterii miniaturale convenționale, inclusiv baterii de tip pastilă care conțin litiu, oxid de argint sau alte metale.

Acestea pot funcționa eficient, însă prezintă o problemă importantă: dacă învelișul protector este deteriorat în timpul deplasării prin tractul gastrointestinal, componentele bateriei pot intra în contact cu organismul.

Cercetătorii MIT au încercat să elimine această problemă printr-o abordare diferită. În loc să protejeze o baterie convențională, au construit o baterie ale cărei componente sunt concepute să fie tolerate de organism și, în cele din urmă, să se descompună.

Cum funcționează noile baterii biodegradabile

Noua baterie folosește magneziu pentru anod și trioxid de molibden pentru catod. Sistemul mai conține un electrolit sub forma unui gel cu lichid ionic.

Alegerea materialelor a fost esențială. Cercetătorii au urmărit utilizarea unor substanțe care pot fi tolerate de organism în cantități mici, astfel încât bateria să nu reprezinte același tip de risc asociat unor baterii convenționale.

Un aspect important este că întregul sistem este bioresorbabil. Cu alte cuvinte, componentele bateriei pot fi descompuse și absorbite de organism, în loc ca o baterie convențională să rămână intactă după ce dispozitivul ingerabil și-a încheiat funcția.

Cercetătorii au construit două variante. Prima are forma unui disc cu diametrul de 7,5 milimetri, iar cea de-a doua este o baterie dreptunghiulară cu lungimea de 24 de milimetri. Cele două forme au fost concepute pentru aplicații diferite. Bateriile au generat o tensiune de 1,84 volți, suficientă pentru a alimenta mai multe tipuri de dispozitive electronice ingerabile.

Ce se întâmplă cu bateria în stomac

Pentru a afla cum se comportă bateriile în condiții asemănătoare celor din organism, cercetătorii le-au expus mai întâi unei soluții foarte acide, concepută pentru a imita sucul gastric. Rezultatele au arătat că bateriile își păstrează funcționalitatea aproximativ trei zile. După această perioadă, performanța lor începe să scadă treptat.

În următoarele săptămâni, bateriile se descompun complet. Testele au indicat, de asemenea, că, după aproximativ 90 de zile, structurile bateriilor ajung sub forma unui material degradat, ceea ce demonstrează caracterul lor temporar.

Această caracteristică este deosebit de interesantă pentru dispozitivele medicale care nu trebuie să rămână permanent în organism. O baterie poate furniza energia necesară într-o anumită perioadă, după care începe să dispară fără să fie nevoie de o procedură pentru îndepărtarea ei.

O baterie care poate stimula producerea hormonului foamei

Una dintre cele mai interesante demonstrații ale cercetătorilor a fost integrarea bateriei într-un dispozitiv ingerabil conceput pentru a aplica un mic curent electric asupra mucoasei stomacului. Ideea se bazează pe cercetări anterioare ale echipei lui Giovanni Traverso, profesor de inginerie mecanică la MIT și gastroenterolog la Brigham and Women’s Hospital.

Stimularea electrică a anumitor celule din stomac poate determina creșterea secreției de grelină, hormon implicat în reglarea senzației de foame. În experimentele pe animale, o stimulare de 20 de minute a dus la o creștere de aproximativ 50% a nivelului de grelină. Noua baterie a fost capabilă să furnizeze stimulare electrică continuă timp de până la trei zile.

O asemenea tehnologie ar putea avea în viitor aplicații în tratarea unor afecțiuni asociate cu greața sau pierderea apetitului. MIT menționează, de exemplu, cașexia, o pierdere severă a masei corporale care poate apărea la pacienți cu cancer sau cu alte boli cronice.

Este însă important de subliniat că aceste rezultate au fost obținute în urma unor studii experimentale și nu înseamnă că astfel de tratamente sunt deja disponibile pentru pacienți.

Baterii bioresorbabile pentru capsule care comunică din interiorul organismului

O a doua demonstrație a tehnologiei a fost realizată prin integrarea bateriei într-un sistem RFID. Scopul este dezvoltarea unor capsule care să poată transmite informații despre poziția lor în tractul gastrointestinal. O astfel de tehnologie ar putea avea aplicații inclusiv în monitorizarea administrării medicamentelor.

Cercetătorii au folosit o antenă RFID bioresorbabilă realizată din molibden și celuloză. Spre deosebire de o versiune anterioară, care se baza pe energia recoltată din organism și avea astfel o rază de comunicare limitată, bateria nouă permite alimentarea continuă a sistemului.

În testele realizate pe animale, dispozitivul alimentat de bateria în formă de disc a putut transmite semnale din tractul gastrointestinal pe o distanță de până la 1,5 metri.

Acest lucru ar putea fi important pentru sistemele concepute să urmărească administrarea medicamentelor. O capsulă ingerabilă ar putea, de exemplu, să transmită informații despre poziția sa după înghițire, fără ca pacientul să fie nevoit să folosească o baterie externă pentru alimentarea dispozitivului.

Spre o nouă generație de dispozitive medicale ingerabile

Studiul oamenilor de știință de la MIT sugerează că bateriile nu trebuie neapărat să fie proiectate pentru a rezista cât mai mult timp. Pentru dispozitivele ingerabile temporare, poate fi mai important ca sursa de energie să funcționeze exact atât cât este necesar și apoi să dispară. Această perspectivă deschide posibilitatea unor dispozitive medicale complet sau aproape complet bioresorbabile.

În cazul dispozitivului pentru stimularea stomacului, de exemplu, cercetătorii au reușit să înlocuiască două baterii convenționale cu noua baterie pe bază de magneziu și trioxid de molibden. Astfel, aproape întregul dispozitiv a devenit bioresorbabil, cu excepția plăcii electronice imprimate. Componentele care nu sunt absorbite pot trece prin tractul gastrointestinal și pot fi eliminate.

Există și un posibil avantaj pentru mediu. Bateriile convenționale din dispozitivele ingerabile pot ajunge în sistemul de canalizare după eliminarea dispozitivului din organism. Dacă materialele bateriei se degradează și în mediu, cantitatea de componente persistente ar putea fi redusă.

Cercetătorii MIT intenționează să continue dezvoltarea acestei tehnologii, inclusiv pentru sistemul RFID destinat monitorizării administrării medicamentelor. Echipa se pregătește pentru un studiu clinic al sistemului SAFARI, pe care estimează că îl va putea începe în aproximativ doi ani.

Bateria care dispare după ce își îndeplinește misiunea

Poate că cea mai interesantă caracteristică a cestui studiu nu este pur și simplu faptul că MIT a creat o baterie foarte mică. Inovația constă în schimbarea modului în care este privită sursa de energie a unui dispozitiv medical ingerabil.

În loc ca bateria să fie un obiect care trebuie să rămână intact până când este eliminat din organism, ea poate deveni o componentă temporară a sistemului. Produce energie, permite dispozitivului să-și îndeplinească funcția, iar apoi începe să se degradeze.

Bateriile biodegradabile ar putea astfel contribui la apariția unor capsule medicale mai sigure și mai autonome, capabile să monitorizeze organismul, să transmită informații, să administreze medicamente sau să ofere stimulare terapeutică fără a lăsa în urmă o baterie convențională.

Studiul este încă într-un stadiu experimental, iar până la utilizarea clinică pe scară largă vor fi necesare teste suplimentare privind siguranța, controlul degradării și comportamentul pe termen lung al materialelor în organism. Dar demonstrația MIT arată că o sursă de energie care își îndeplinește misiunea și apoi dispare poate deveni o componentă importantă a viitoarei electronici medicale ingerabile.