327
От кардиостимуляторов до нейростимуляторов имплантированные медицинские устройства полагаются на батареи, чтобы поддерживать сердцебиение и уменьшать боль. Но батареи с течением времени разряжаются, и их замена требует инвазивных операций. Чтобы решить эти проблемы, исследователи из Китая разработали имплантированный аккумулятор, работающий от кислорода в организме. Исследование, опубликованное 27 марта в журнале Chem, показывает, что у крыс конструкция с подтверждением концепции может обеспечить стабильную и совместимую с биологическими системами энергию.
"Если вы подумаете об этом, кислород является источником нашей жизни", - говорит автор-корреспондент Сижен Лю, специализирующийся на энергетических материалах и устройствах в Тяньцзинском технологическом университете. Если мы сможем использовать непрерывное поступление кислорода в организм, срок службы батареи не будет ограничен конечными материалами в обычных батареях.
Чтобы построить безопасную и эффективную батарею, исследователи сделали ее электроды из сплава на основе натрия и нанопористого золота, материала с порами в тысячи раз меньше ширины волоса. Золото известно своей совместимостью с живыми системами, а натрий является важным и вездесущим элементом в организме человека. Электроды вступают в химическую реакцию с кислородом в организме для производства электричества. Чтобы защитить аккумулятор, исследователи поместили его в ячеистую полимерную пленку, которая является мягкой и гибкой.
Затем исследователи имплантировали батарею под кожу на спине крыс и измерили ее исходную электроэнергию. Через две недели они обнаружили, что аккумулятор может производить стабильное напряжение от 1,3 до 1,4 В с максимальной плотностью мощности 2,6 мкВт/см. 2 . Хотя выходной мощности недостаточно для питания медицинских устройств, конструкция показывает, что использовать кислород в организме для получения энергии возможно.
Команда также оценила воспалительные реакции, метаболические изменения и регенерацию тканей вокруг батареи. У крыс не обнаружено видимого воспаления. Побочные продукты химических реакций батареи, включая ионы натрия, гидроксиды и низкие уровни перекиси водорода, легко метаболизировались организмом и не влияли на почки и печень. Крысы хорошо заживали после имплантации, и через четыре недели шерсть на их спине полностью отрастала. К удивлению исследователей, кровеносные сосуды также регенерировали вокруг батареи.
"Мы были озадачены нестабильным выходом электроэнергии сразу после имплантации", - говорит Лю. «Оказалось, что мы должны дать раннее время зажить, чтобы кровеносные сосуды вокруг батареи восстановились и снабжали кислород, прежде чем батарея сможет обеспечить стабильную электроэнергию. Это удивительное и интересное открытие, поскольку это означает, что батарея может помочь контролировать заживление ран».
Далее команда планирует увеличить энергоснабжение батареи путем исследования более эффективных материалов для электродов и оптимизации структуры и дизайна батареи. Лю также отметил, что батарею легко расширить в производстве, а выбор рентабельных материалов может еще больше снизить цену. Аккумулятор команды может также найти другие цели, кроме питания медицинских устройств.
«Поскольку опухолевые клетки чувствительны к уровню кислорода, имплантация вокруг потребляющей кислород батареи может помочь предотвратить рак. Также можно превратить энергию батареи в тепло, чтобы убить раковые клетки», – говорит Лю. «От нового источника энергии к потенциальным биотерапиям – перспективы этой батареи увлекательны».
