Батарейка, которую можно проглотить: инженеры MIT научились питать устройства внутри организма

Проглатываемая электроника звучит как что-то из научной фантастики, но такие устройства существуют уже больше десяти лет. Капсулы умеют измерять пульс и температуру изнутри, доставлять лекарства точно в нужный отдел кишечника, фиксировать передозировку опиоидов, стимулировать ткани электрическими импульсами. Но со съедобной электроникой всегда была одна проблема — питание.

Обычную литиевую батарейку нельзя оставить в желудочно-кишечном тракте: если корпус повредится, содержимое попадёт в ткани. Значит, устройство нужно извлекать — эндоскопией или операцией. А это ограничивает всю область: капсула должна быть либо очень недолговечной, либо очень надежной, либо её вообще не стоит глотать.

Группа Джованни Траверсо из Массачусетского технологического института предложила обойти это ограничение: сделать батарейку, которая отработает свое и растворится. Исследователи разработали тонкий биоразлагаемый источник энергии, который работает в течение нескольких дней, а затем постепенно разрушается внутри организма. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Chemical Engineering.

Как устроена батарейка-капсула

Батарейка внешне напоминает тонкий лист бумаги. Ее отрицательный электрод (анод), сделан из магниевого сплава, положительный (катод) — из триоксида молибдена и активированного угля. Между ними находится биоразлагаемый электролит, который позволяет вырабатывать электрический ток.

Основой конструкции служат нановолокна целлюлозы. Чтобы устройство не разрушилось слишком быстро в желудке, его покрыли пчелиным воском. В некоторых версиях сверху дополнительно наносили слой канделильского воска — растительного воска, получаемого из кустарника Euphorbia antisyphilitica. Толщина покрытия влияет на то, как долго батарейка остается работоспособной.

Исследователи разработали две версии устройства. Меньшая версия легко помещается в стандартную желатиновую капсулу и вырабатывает около 1,77 вольта. Более крупная версия производит около 1,84 вольта и подходит для питания устройств, требующих больше энергии.

Что показал эксперимент на свиньях

Батарейки заключили в специально напечатанные на 3D-принтере капсулы и поместили животным с помощью эндоскопа. Обе версии продолжали работать до трех дней, постепенно теряя напряжение и емкость по мере разрушения.

Маленькая батарейка питала RFID-метку — радиочастотный датчик, который находился в пищеводе и позволял удаленно отслеживать, когда животное проглатывало лекарство. Более крупную использовали для другой капсулы, которая стимулировала желудок электрическими импульсами. Уровень гормона грелина, связанного с чувством голода, после стимуляции повысился, а видимых повреждений тканей в месте воздействия ученые не обнаружили.

Сама батарейка и ее биоразлагаемые компоненты постепенно разрушались. Однако электронная плата второй капсулы не растворялась и в итоге выводилась из организма естественным путем.

Перспективы

Главная задача исследователей — научиться точнее контролировать срок работы батарейки. Сейчас характеристики разных экземпляров могут немного отличаться из-за различий в сборке, распределении электролита и толщине воскового покрытия. Ученые стремятся к развитию стабильного производства и настройке батареек на определенный период работы — от нескольких часов до нескольких дней.

Следующим шагом станут более длительные испытания в условиях, точно имитирующих человеческий желудочно-кишечный тракт. Примерно через два года исследователи планируют довести систему с RFID-меткой до клинических испытаний.

Пока что испытания проводились только на свиньях, поэтому говорить о безопасности и эффективности этой технологии для людей пока рано.