Er is in de moderne geneeskunde veel vraag naar elektronische apparaten voor het constant bewaken van de gezondheid van de patiënt. Deze implantaten kunnen worden gemaakt van volledig veilige materialen en signaalpieken in de bloedsuikerspiegel, bloeddruk of het optreden van een immuunrespons op medicijnen.
Ondanks de prestaties op lange termijn, zullen dergelijke apparaten op een dag moeten worden weggegooid. De voor de hand liggende oplossing voor het probleem - chirurgische verwijdering van het implantaat - is duidelijk niet de beste, aangezien zo'n ingreep pijnlijk en soms gevaarlijk zal zijn.
Daarom ontwikkelen veel groepen bio-ingenieurs over de hele wereld apparaten die in het lichaam zijn ingebouwd, die na de vervaldatum onafhankelijk kunnen oplossen en uit het lichaam kunnen worden uitgescheiden.
“Het maken van dergelijke implantaten is een grote stap voorwaarts. Tot voor kort is er geen vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van oplosbare biomedische apparaten,”zegt co-auteur Jeffrey Borenstein van het Draper Laboratory in Massachusetts, VS.
In 2012 presenteerden Borensteins collega materiaalwetenschapper John Rogers van de Universiteit van Illinois en zijn groep een reeks biologisch afbreekbare siliciumchips die in staat zijn om temperatuur of mechanische vervorming te regelen, informatie naar apparaten buiten het lichaam te verzenden (naar een computer of smartphone bijvoorbeeld) en zelfs lichaamsweefsels te verwarmen. om infectie te voorkomen. Sommige van deze chips werden aangedreven door inductiespoelen die draadloze stroom van externe bronnen leverden.
Maar draadloze overdracht van energie is niet erg geschikt voor onderhuidse implantaten, die soms in diepe weefsellagen of zelfs onder het bot moeten worden geplaatst. Bovendien zijn de componenten voor dergelijke apparaten erg complex en omslachtig. Na deze problemen te hebben onderzocht, hebben Rogers en zijn team geoptimaliseerde volledig biologisch afbreekbare batterijen gemaakt als aanvulling op bestaande apparaten.
De ingenieurs gebruikten magnesiumfolie als anodes en een plaat van ijzer, molybdeen of wolfraam voor kathodes. Al deze metalen lossen langzaam op in het lichaam en hun ionen zijn bij lage concentraties biocompatibel.
De elektrolyt tussen de twee elektroden is een natriumfosfaatbuffer. Al deze componenten zijn ook verpakt in een biologisch afbreekbaar polymeer, polyanhydride.
Promotie video:
Zoals gerapporteerd in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials, kan de stroomsterkte van het apparaat variëren afhankelijk van het metaal dat in de kathode wordt gebruikt. Bijvoorbeeld, een cel met een oppervlakte van één vierkante centimeter met een 50 micrometer dikke magnesiumanode en een 8 micrometer dikke molybdeen kathode geeft 2,4 milliampère.
Eenmaal opgelost, geeft de batterij minder dan 9 milligram magnesium af. (Foto door University of Illinois)
Eenmaal opgelost, geeft de batterij minder dan 9 milligram magnesium af, wat ongeveer het dubbele is van de magnesium coronaire stent die met succes is getest in klinische onderzoeken. Dergelijke concentraties veroorzaken misschien geen problemen, zei Rogers.
Tot nu toe kunnen alle versies van het biologisch afbreekbare apparaat 24 uur in het lichaam functioneren, maar ingenieurs werken al aan het verlengen van de potentiële levensduur van de productiviteit. Ze hopen ook de energiedichtheid te vergroten door het oppervlak van de magnesiumfolie aan te passen. Het grote oppervlak verhoogt de reactiviteit van het materiaal. Volgens voorlopige schattingen van de auteurs van het onderzoek is een batterij van 0,25 vierkante centimeter en slechts één micrometer dik goed in staat om overdag een onderhuidse sensor van stroom te voorzien.
Merk op dat de ontwikkeling van Rogers een potentiële concurrent is van het project van Christopher Bettinger: de laatste gebruikte het huidpigment melanine om de anodes te maken voor maximale veiligheid van de bioaccumulator. Desalniettemin toonde vergelijkende analyse aan dat de magnesiumanodebatterijen van Rogers net zo veilig zijn, maar een hogere energiedichtheid en een langere levensduur hebben, wat betekent dat ze winnen.
Borenstein voegt eraan toe dat dergelijke apparaten niet alleen kunnen worden gebruikt voor biomedische monitoring en medicijnafgifte, maar bijvoorbeeld ook als sensoren om de toestand van het milieu continu te beoordelen. Afbreekbare sensoren kunnen in de oceaan worden geplaatst, waar ze de mate van vervuiling monitoren, en aan het einde van hun levensduur zullen ze vrijwel spoorloos oplossen.
