Від кардіостимуляторів до нейростимуляторів, імплантовані медичні пристрої покладаються на батареї, щоб підтримувати серцебиття та зменшувати біль. Але батареї з часом розряджаються, і їх заміна вимагає інвазивних операцій. Щоб розв’язати ці проблеми, дослідники з Китаю розробили імплантований акумулятор, який працює від кисню в організмі. Дослідження, опубліковане 27 березня в журналі Chem, показує, що у щурів конструкція з підтвердженням концепції може забезпечити стабільну енергію та сумісна з біологічними системами.
«Якщо ви подумаєте про це, кисень є джерелом нашого життя», — каже автор-кореспондент Сіжен Лю, який спеціалізується на енергетичних матеріалах і пристроях у Тяньцзіньському технологічному університеті. «Якщо ми зможемо використовувати безперервне надходження кисню в організм, термін служби батареї не буде обмежений кінцевими матеріалами у звичайних батареях».
Щоб побудувати безпечну та ефективну батарею, дослідники зробили її електроди зі сплаву на основі натрію та нанопористого золота, матеріалу з порами в тисячі разів меншими за ширину волосини. Золото відоме своєю сумісністю з живими системами, а натрій є важливим і всюдисущим елементом в організмі людини. Електроди вступають у хімічну реакцію з киснем в організмі для виробництва електрики. Щоб захистити акумулятор, дослідники помістили його в пористу полімерну плівку, яка є м’якою та гнучкою.
Потім дослідники імплантували батарею під шкіру на спині щурів і виміряли її вихідну електроенергію. Через два тижні вони виявили, що акумулятор може виробляти стабільну напругу від 1,3 В до 1,4 В з максимальною щільністю потужності 2,6 мкВт/см 2 . Хоча вихідної потужності недостатньо для живлення медичних пристроїв, конструкція показує, що використовувати кисень в організмі для отримання енергії можливо.
Команда також оцінила запальні реакції, метаболічні зміни та регенерацію тканин навколо батареї. У щурів не виявлено видимого запалення. Побічні продукти хімічних реакцій батареї, включаючи іони натрію, іони гідроксиду та низькі рівні перекису водню, легко метаболізувалися організмом і не впливали на нирки та печінку. Щури добре заживали після імплантації, і через чотири тижні шерсть на їхній спині повністю відростала. На подив дослідників, кровоносні судини також регенерували навколо батареї.
«Ми були спантеличені нестабільним виходом електроенергії відразу після імплантації», — каже Лю. «Виявилося, що ми повинні дати рані час зажити, щоб кровоносні судини навколо батареї відновилися та постачали кисень, перш ніж батарея зможе забезпечити стабільну електроенергію. Це дивовижне та цікаве відкриття, оскільки це означає, що батарея може допомогти контролювати загоєння ран.”
Далі команда планує збільшити енергопостачання батареї шляхом дослідження більш ефективних матеріалів для електродів і оптимізації структури та дизайну батареї. Лю також зазначив, що батарею легко розширити у виробництві, а вибір рентабельних матеріалів може ще більше знизити ціну. Акумулятор команди також може знайти інші цілі, крім живлення медичних пристроїв.
«Оскільки пухлинні клітини чутливі до рівня кисню, імплантація довкола цієї батареї, що споживає кисень, може допомогти запобігти раку. Також можна перетворити енергію батареї на тепло, щоб убити ракові клітини», — каже Лю. «Від нового джерела енергії до потенційних біотерапій — перспективи цієї батареї захоплюючі».