Создана съедобная батарейка из рисовой бумаги: она работает прямо в желудке и исчезает
Случайное проглатывание обычной дисковой батарейки — один из самых пугающих сценариев в неотложной педиатрии. Металлический корпус замыкает электрическую цепь прямо через влажную слизистую пищевода, запуская электролиз воды. У отрицательного полюса стремительно накапливаются гидроксид-ионы, кислотность тканей подскакивает до 12–13 единиц, и концентрированная щелочь начинает буквально переваривать стенку органа. Двух часов достаточно, чтобы разрушить пищевод на всю толщину и создать угрозу перфорации крупных сосудов.
Ровно та же химия, что делает батарейки смертельно опасными, годами мешала медицине использовать их во благо. Автономные электронные капсулы с оптическими сенсорами и датчиками кислотности способны обследовать труднодоступные отделы кишечника без хирургии и сложной эндоскопии. Но литиевые и щелочные элементы несут постоянный риск: стоит капсуле задержаться из-за сужения кишки или треснуть — и начинается утечка токсинов с химическим разрушением тканей. Попытки питаться от естественной среды желудка, где кислый сок работает электролитом между двумя металлами, давали жалкие единицы микроватт — этого хватало лишь на редкие сигналы, но не на устойчивую радиосвязь или стимуляцию нервных окончаний.
Инженеры Массачусетского технологического института вместе с учеными Гарвардской медицинской школы решили эту задачу, создав химический источник тока, который работает в агрессивной среде желудка несколько суток, а затем полностью распадается на усваиваемые или выводимые соединения. Результаты опубликованы в журнале Nature Chemical Engineering.
Главное препятствие для любой растворяемой батареи — фундаментальное противоречие электрохимии. Чтобы ячейка давала достаточную мощность, металл анода должен легко отдавать электроны, но высокая химическая активность означает, что он начнет разрушаться в водной среде сам по себе, еще до подключения нагрузки. Этот процесс называют паразитным саморазрядом. Ранние прототипы на цинке были безопасны, но выдавали не выше 1,4 вольта, тогда как большинству микроконтроллеров нужно от 1,5 до 3 вольт. Приходилось встраивать повышающие преобразователи, что усложняло сборку и снижало КПД. Вторая проблема — связующие полимеры вроде полилактид-гликолида: крупные частицы делали электрод слишком толстым, с высоким внутренним сопротивлением, а на его разложение ферментами уходили месяцы.
Команда MIT полностью переработала архитектуру элемента. В основе — химическая пара из магниевого сплава и оксида молибдена. Анод изготовили из медицинского сплава АЗ-31 толщиной 250 микрометров (96 процентов магния, 3 процента алюминия, 1 процент цинка). Низкий стандартный электродный потенциал магния — минус 2,37 вольта — обеспечивает высокое напряжение на выходе. В физиологических жидкостях пластина истончается со скоростью от 1,2 до 12 микрометров в сутки.
Катод сделали в виде гибкого бумажного композита. Активный материал — триоксид молибдена, для проводимости добавили очищенную углеродную сажу, а вместо синтетических полимеров использовали растительные нановолокна целлюлозы. Смесь в пропорции 7 к 2 к 1 гомогенизировали в центробежном смесителе при двух тысячах оборотов в минуту и высушили при 42 градусах. Получилась пористая проводящая пленка толщиной 200 микрометров на молибденовой фольге 15–25 микрометров. В пищеварительном тракте ферменты микрофлоры расщепляют целлюлозу до обычных растворимых углеводов и глюкозы.
Отказ от водных солевых растворов в пользу ионной жидкости устранил главную причину быстрого разрушения магния. Авторы синтезировали глубокую эвтектическую ионную жидкость из холинхлорида (соединения, родственного витаминам группы В) и молочной кислоты в равных молекулярных долях, нагретых до 65 градусов. Затем смешали с раствором желатина и глицерина — при остывании образовался устойчивый проводящий гидрогель. Свободных молекул воды в нем практически нет, поэтому реакция восстановления водорода на магнии резко замедляется: батарея не теряет заряд самопроизвольно и не выделяет газов при хранении.
Защиту от соляной кислоты желудочного сока обеспечила двойная восковая оболочка. Первый слой — очищенный пчелиный воск с температурой плавления около 60 градусов, что позволяет наносить его в расплавленном виде, не разрушая желатиновый гель. Второй, наружный, — твердый канделильский воск с выраженными водоотталкивающими свойствами: в желудочном соке он растворяется со скоростью всего около 10 микрометров в месяц.
Ученые создали два типоразмера. Круглый элемент диаметром 7,5 миллиметра точно входит в стандартную желатиновую капсулу размера 000 (26 миллиметров длиной при внешнем диаметре 9,5 миллиметра). Плоский элемент 8 на 24 миллиметра предназначен для приборов с повышенным потреблением. Напряжение разомкнутой цепи — 1,84 вольта у плоской модификации и 1,77 вольта у круглой, что превосходит медицинские дисковые батареи на оксиде серебра (1,55 вольта) и разлагаемые цинковые элементы (до 1,4 вольта). При разряде током 0,2 миллиампера на квадратный сантиметр батарея удерживала 1,6 вольта в течение суток, а суммарная емкость крупного образца достигла 3,5 миллиампер-часа — достаточно для аналоговых датчиков, микроконтроллеров и маломощных радиопередатчиков.
Лабораторная посуда — не живой организм с его мышечными сокращениями, ферментами и трением пищевых масс. Поэтому тестирование провели на свиньях йоркширской породы массой 50–70 килограммов, чей желудок по объему, строению и кислотности ближе всего к человеческому. Батареи удерживали двумя способами: либо в капсуле с раскрывающимися фиксаторами из полимолочной кислоты, которые после растворения оболочки расправлялись звездой и не пропускали устройство через привратник, либо крепили плоские элементы к слизистой нижней трети желудка металлическими клипсами через эндоскоп. Рентген и эндоскопия подтверждали положение ежедневно. Даже на третьи сутки источник стабильно выдавал 1,35 вольта и сохранял более 60 процентов первоначальной емкости.
Практическую применимость доказали двумя медицинскими приборами. Первый — радиочастотная метка контроля приема препаратов для пациентов с туберкулезом или ВИЧ, которые нередко нарушают график лечения, провоцируя лекарственную устойчивость. Существующие цифровые таблетки с пассивными радиометками питаются от внешнего поля и работают лишь в нескольких сантиметрах, вынуждая носить портативный приемник. Новая капсула размера 000 вместила дисковую батарею, микросхему RFID дециметрового диапазона (915 мегагерц), антенну из тонкой молибденовой проволоки и дорожки из проводящей пасты на основе вольфрама и воска. Электроника заняла 1,37 кубического сантиметра, оставив 76 процентов объема под лекарство. Связь с внешней антенной держится до 4 метров на открытом воздухе и до 1,5 метра через ткани. Система фиксирует сам факт проглатывания по резкому падению мощности сигнала ровно на 10 децибел-милливатт — с минус 40–50 до минус 60 — когда капсула уходит в пищевод. Через несколько недель антенна и батарея полностью разрушаются, а единственная нерастворимая деталь, кремниевый чип площадью 18 квадратных миллиметров, выходит естественным путем.
Второй прибор — растворимый электростимулятор желудка для терапии гастропареза, тяжелого нарушения эвакуаторной функции на фоне диабетической нейропатии. Сегодня для стимуляции нужна лапароскопия: электроды пришивают к мышечной оболочке и выводят провода к генератору под кожей. Вместо этого в полимерном корпусе разместили печатную плату генератора с магнитным включателем, магний-молибденовую батарею и внешние молибденовые электроды диаметром 2 и 5 миллиметров. Генератор выдает прямоугольные импульсы длительностью 0,3 миллисекунды, частотой 14 герц и силой тока 0,5 миллиампер. Одного элемента хватает на трое суток непрерывной работы, двух параллельных — до семи. Капсулу ввели свинье эндоскопом и прижали электроды к слизистой на 20 минут. Уровень грелина — гормона, регулирующего голод и моторику, — вырос в среднем на 36,3 процента, а в отдельных измерениях на 50. Микроскопический анализ окрашенных гематоксилином и эозином тканей в зоне контакта не выявил ни термических повреждений, ни язв, ни воспаления.
Токсикологическую безопасность оценивали по массе продуктов распада относительно физиологических норм. При полном гидролизе магниевого анода крупной батареи за сутки образуется не более 3,4 миллиграмма соединений магния — менее одного процента от суточной нормы потребления 420 миллиграммов. Молибден из оксида катода и фольги дает не более миллиграмма в сутки при безопасном пороге 2 миллиграмма, а излишки быстро выводятся почками. В тестах ускоренного растворения при 75 градусах (что ускоряет реакции примерно в 15 раз) корпус и электрохимический блок теряли целостность через 40 дней и распадались на микрофрагменты через 90 — в организме за счет механического трения это происходит быстрее.
Перед клиническими испытаниями на людях остается решить два вопроса. Кремниевые микросхемы стимулятора и RFID-чипы пока изготавливаются по стандартной полупроводниковой технологии: они малы и без препятствий покидают пищеварительный тракт, но для полной биорезорбируемости понадобится перейти на ультратонкие кремниевые пленки тоньше ста нанометров, которые гидролизуются до безопасной кремниевой кислоты. Кроме того, эксперименты проводили строго натощак, а в реальных условиях пища повышает вязкость содержимого желудка, провоцирует выброс концентрированной кислоты и желчи и создает абразивное воздействие, что может ускорить стирание воскового слоя и сократить срок службы.
Работа инженеров MIT подтверждает главное: электроника внутри человеческого тела может обходиться без массивных и опасных металлических аккумуляторов. Сочетание магния, оксида молибдена, растительной наноцеллюлозы и натуральных восков позволяет создавать автономные медицинские капсулы, которые несколько дней выполняют диагностические или лечебные задачи, а затем бесследно растворяются в пищеварительной системе.
