Для инкапсуляции использовали разные виды воска
Американские химики разработали растворимый магниевый аккумулятор для имплантов. Для инкапсуляции использовали воск: подбирая вид и толщину покрытия, устройства можно запрограммировать на разное время работы. Эксперименты на свиньях показали, что аккумулятор не вызывает повреждений желудочно-кишечного тракта. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Chemical Engineering.
Современная медицина использует все больше электронных имплантов. Наряду с постоянными устройствами — например, кардиостимуляторами, которые функционируют в организме годами — ученые разрабатывают и временные импланты и сенсоры, которые должны выполнить свою роль, а затем покинуть организм. Такие растворимые импланты уже испытывались на животных и людях, например, проглатываемые электронные метки (RFID) для мониторинга приема лекарств дошли до клинических исследований. Однако выбор материалов для них очень ограничен: в частности, для питания не подходят ни традиционные аккумуляторы, ни даже их более безопасные версии, разработанные для кардиостимуляторов и нейростимуляторов. Компромиссным вариантом считаются цинковые аккумуляторы, однако они показывают не очень высокое напряжение.
Американские химики под руководством Джованни Траверсо (Giovanni Traverso) из Массачусетского технологического института разработали биосовместимые и биорастворимые магниевые аккумуляторы. Анод такой батареи состоит из магния (Mg). Для того, чтобы добиться высокого напряжения, катод изготовили из триоксида молибдена (MoO3), а между анодом и катодом поместили сепаратор из обыкновенной бумаги. Траверсо и его коллеги попробовали несколько вариантов электролита и остановились на эквимолярной смеси молочной кислоты и хлорида холина. При температурах эксплуатации этот электролит имеет гелеобразную структуру, он обладает достаточной проводимостью и при этом не содержит токсичных солей. Для инкапсуляции устройств использовали воск — он плавится уже при температуре 60 градусов Цельсия, что позволяет нанести покрытие в мягких условиях, не повредив гелевый электролит. Траверсо и его коллеги использовали два типа покрытий — для более короткоживущих использовали только пчелиный воск, а для более долгоживущих сверху наносили слой более твердого кандедильского воска.
В зависимости от размера и геометрии аккумулятора удавалось достичь напряжения холостого хода от 1,7 до 1,84 вольта — оба значения заметно больше, чем у цинковых аккумуляторов (1,4 вольта). При плотности тока 0,2 миллиампера на квадратный сантиметр аккумулятор обеспечивал емкость два миллиампер-часа на квадратный сантиметр — этого достаточно для питания маломощной электроники, в том числе RFID-микросхем.
Чтобы понять, как устройства будут вести себя в живом организме, ученые сначала поместили их в модельный раствор желудочного сока и нагрели до температуры 37 градусов Цельсия. Устройства с покрытием из пчелиного воска растворялись за три дня, из кандедильсккого воска — медленнее, примерно со скоростью 10 микрометров в месяц. После этого батареи с покрытием из пчелиного воска испытали на живых свиньях: устройства помещали в 3D-печатные капсулы и эндоскопически вводили в желудки животных. Маленькие устройства удерживали там с помощью раскрывающихся полимерных усиков, а большие временно прикрепляли к стенке желудка эндоклипом. Все батареи успешно работали внутри ЖКТ, но постепенно теряли характеристики: напряжение маленьких аккумуляторов за три дня снизилось с 1,7 вольта до 1,35 вольта. Через неделю работы у всех аккумуляторов наступало резкое ухудшение всех характеристик. Исследователи связывают это с разрушением восковой оболочки, высыханием гелевого электролита и коррозией магниевого электрода. После завершения эксперимента свиней еще раз исследовали рентгеном и не выявили никаких повреждений ЖКТ. Иных признаков отравления или воспаления авторы тоже не заметили, что было ожидаемо: магний и молибден присутствовали в устройствах в количествах порядка миллиграмма, что ниже уровней, связанных с клинически значимой токсичностью.
Таким образом, Траверсо и его коллеги разработали безопасные растворимые аккумуляторы с высоким напряжением. Варьируя вид и толщину защитного покрытия, устройства можно запрограммировать на разные промежутки работы — от трех дней до месяца. В то же время авторы отметили проблемы с воспроизводимостью от устройства к устройству. Например, одно устройство оставалось целым в течение четырнадцати дней, хотя его изготавливали по такой же методике, как и остальные, которые растворялись за три — семь дней. В ближайших планах авторов — решить эту проблему, прежде чем устройства будут тестироваться на людях.
Ранее мы рассказывали о работе китайских ученых, которые научились перезаряжать кардиостимуляторы и другие электронные имплантаты ультразвуком без проведения хирургической операции.