Китайские ученые создали биоразлагаемое беспроводное устройство, которое может принимать и даже хранить энергию, находясь внутри человека — под его кожей. Оно может питать биоэлектронные имплантаты, например, полностью биоразлагаемые системы доставки лекарств.
Созданный китайскими учеными беспроводной источник питания и накопитель энергии. Источник изображения: Lanzhou University
Имплантируемые биоэлектронные системы, такие как датчики мониторинга и имплантаты для доставки лекарств, являются малоинвазивными и надёжными способами точного контроля и лечения пациентов. Однако, согласно статье, опубликованной в четверг в журнале Science Advances под руководством исследователей из Университета Ланьчжоу, разработка модулей питания для работы этих устройств отстаёт от создания биосовместимых и биоразлагаемых датчиков и схемных блоков.
Хотя существуют биоразлагаемые блоки питания, они часто могут быть использованы только один раз и обладают недостаточной мощностью для биомедицинских приложений. Кроме того, блоки питания, подключаемые к трансдермальным зарядным устройствам, могут вызывать воспаление, а блоки питания, работающие от не перезаряжаемых батарей, могут потребовать хирургической замены, что чревато осложнениями.
Для устранения этого недостатка исследователи предложили беспроводную имплантируемую систему питания, обладающую «одновременно высокой эффективностью накопления энергии и благоприятными свойствами взаимодействия с тканями». Её мягкая и гибкая конструкция позволяет адаптироваться к форме тканей и органов.
Беспроводное устройство питания состоит из магниевой катушки, которая заряжает устройство при размещении внешней передающей катушки на коже над имплантатом. Прямо как с беспроводной зарядкой для смартфона. Энергия, получаемая катушкой под кожей, проходит через цепь, после чего поступает в модуль хранения энергии, состоящий из гибридных цинк-ионных суперконденсаторов (ионисторов). Ионисторы по своим характеристикам занимают промежуточное положение между конденсатором и химическим источником тока, например, аккумулятором. Хотя суперконденсаторы хранят меньше энергии на единицу объёма, чем литиевые батареи, они обладают высокой плотностью мощности и поэтому могут стабильно выдавать большое количество энергии.
Прототип системы электропитания, заключенный в гибкий биоразлагаемый чипоподобный имплантат, объединяет в одном устройстве приём и накопление энергии. Энергия может поступать по электрической цепи непосредственно в подключенное биоэлектронное устройство, а также в ионистор, где она накапливается «для обеспечения постоянного и стабильного разряда для питания биоэлектронного устройства» после завершения зарядки.
Цинк и магний необходимы человеческому организму, и исследователи отмечают, что их количество, содержащееся в устройстве, ниже уровня ежедневного потребления, что делает растворяемые имплантаты биосовместимыми. Всё устройство заключено в полимер и воск, которые могут изгибаться и деформироваться в соответствии со структурой ткани, в которую оно помещено.
Испытания устройства на крысах показали, что оно может эффективно работать до 10 дней, а полностью рассасывается в течение двух месяцев. Продолжительность работы устройства может быть изменена путем изменения толщины и химического состава инкапсулирующего слоя. Чтобы продемонстрировать функциональность источника питания, исследователи соединили уложенные суперконденсаторы с приёмной катушкой и биодеградируемым устройством доставки лекарств и имплантировали их крысам. Имплантируемый прототип не был заключен в единое устройство, а состоял из отдельных инкапсулированных частей, соединенных между собой. Устройство доставки лекарственного средства, содержащее противовоспалительный препарат, было имплантировано крысам с дрожжевой лихорадкой. В течение 12 часов наблюдения температура в группе без имплантата была значительно выше, чем в группе с имплантатом.
Исследователи отметили, что остаётся проблема включения и выключения устройства, поскольку оно перестаёт функционировать только тогда, когда заканчивается заряд. Однако, по их мнению, контролируемый запуск зарядки также может управлять и продолжительностью включения и выключения. По словам исследователей, у крыс, которым вводили имплантат без подзарядки, также наблюдалось некоторое пассивное высвобождение лекарственного вещества, поскольку температура, зарегистрированная в этой группе, также была снижена по сравнению с контрольной группой.
Тем не менее, в статье говорится, что прототип «представляет собой важный шаг вперед в продвижении широкого спектра имплантируемых биоэлектронных устройств с переходным режимом работы, способных обеспечить эффективные и надежные энергетические решения».
Читайте нас: