دانشمندان باتری کاغذی ساختند که می توانید آن را قورت دهید تا دستگاه های پزشکی داخلی را تامین کند

دانشمندان باتری کاغذی قابل بلعیدنی ساختند که می تواند دستگاه های پزشکی را در داخل بدن تامین کند و پس از اتمام کار به تدریج تجزیه می شود.

تاکنون باتری فقط روی خوک‌ها آزمایش شده است که در آن دستگاه‌ها را تا سه روز تغذیه می‌کرد. اگر ایمنی و موثر بودن آن در افراد ثابت شود، باتری می‌تواند روزی دستگاه‌های موقت داخل روده را تغذیه کند و در عین حال از عمل جراحی برای بازیابی باتری معمولی از بدن در زمانی که دستگاه دیگر نیازی نیست، اجتناب کند.

رضا قدسی، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه مریلند که در این مطالعه شرکت نداشت، گفت: «من از این کار بسیار هیجان‌زده هستم. باتری یکی از اجزایی است که بیشتر فضای یک دستگاه قابل بلع را اشغال می کند، بنابراین هر چیزی که بتواند انرژی مورد نیاز را در عین کاهش اندازه کپسول تامین کند، بسیار امیدوارکننده است.

نمونه‌هایی از دستگاه‌های پزشکی قابل بلع عبارتند از آنهایی که خونریزی را تشخیص می‌دهند، داروها را توزیع می‌کنند یا بافت‌ها یا اندام‌های خاصی را تحریک می‌کنند.

باتری چگونه کار می کند؟

باتری های معمولی مورد استفاده در دستگاه های قابل بلع نه تنها بزرگ هستند. آنها همچنین باید مهر و موم شوند تا از نشت مواد داخلی آنها به بافت اطراف و ایجاد آسیب جلوگیری شود. باتری جدید که دوشنبه (21 سپتامبر) در مجله Nature Chemical Engineering توضیح داده شده است، از موادی ساخته شده است که به تدریج در دستگاه گوارش اسیدی حل می شوند و سپس می توانند به طور ایمن بدون باقی ماندن قطعات مضر یا محصولات جانبی سمی جذب شوند.

باتری به صورت لایه ای ساخته شده است. یک آلیاژ منیزیم آند (ترمینال منفی باتری) را تشکیل می دهد، در حالی که کاتد (ترمینال مثبت) حاوی تری اکسید مولیبدن و کربن فعال است. بین دو طرف یک الکترولیت زیست تخریب پذیر وجود دارد که به باتری اجازه می دهد جریان الکتریکی تولید کند. این مواد در نمونه های اولیه باتری های زیست تخریب پذیر قبلی برای وسایل الکترونیکی پزشکی و پوشیدنی موقت استفاده شده است.

طراحی جدید آنها را به یک باتری نازک، متخلخل و کاغذ مانند با استفاده از نانوفیبریل‌های سلولز به عنوان یک چسب تطبیق می‌دهد، در حالی که نسخه‌های قبلی از چسب‌های بزرگ‌تر استفاده می‌کردند. جیووانی تراورسو، یکی از نویسندگان این مطالعه، مدیر آزمایشگاه مهندسی ترجمه در MIT، در ایمیلی به Live Science گفت: "ساختار کاغذ قدرت و کنترل باتری را بر تخریب بهبود می بخشد و در عین حال به آن اجازه می دهد الکتریسیته تولید کند."

برای جلوگیری از تجزیه سریع باتری در اسید معده، محققان آن را با موم زنبور عسل پوشاندند. برخی از نسخه‌ها نیز لایه‌ای از موم کندلیلا - که از درختچه بیابانی Euphorbia antisyphilitica گرفته شده است - برای محافظت طولانی‌تر دریافت کردند.

تراورسو گفت: "پوشش موم صرفا بسته بندی نیست." "این یک عنصر کلیدی طراحی است که طول عمر عملکردی را کنترل می کند."

این تیم دو نسخه از باتری را ساختند، از جمله یکی که به اندازه کافی کوچک بود تا در یک کپسول استاندارد ژلاتین قرار گیرد. در آزمایش‌های آزمایشگاهی، حدود 1.77 ولت تولید کرد و می‌توانست 2 میلی‌آمپر ساعت در هر سانتی‌متر مربع را ذخیره و تحویل دهد، که ظرفیت کافی برای تامین انرژی الکترونیک کم‌مصرف است.

نسخه بزرگتر باتری حدود 1.84 ولت تولید می کرد و حداکثر ظرفیت آن 3.5 میلی آمپر ساعت بود. این می تواند دستگاه هایی را که به انرژی کمی نیاز دارند، نیرو دهد. قدسی خاطرنشان کرد: با این حال ظرفیت باتری همچنان کم است. او گفت: «آنها باید از ظرفیت بالاتری برخوردار باشند تا این فناوری حتی امیدوارکننده‌تر باشد».

تست باتری داخل بدنه

محققان نمونه‌های اولیه باتری را درون کپسول‌های پرینت سه‌بعدی قرار دادند و با استفاده از یک آندوسکوپ - که اساسا یک لوله بلند بود - از طریق دهان به خوک‌ها تزریق کردند. هر دو نسخه باتری تا سه روز کار می کردند، اگرچه ولتاژ و ظرفیت آنها با کاهش تدریجی کاهش یافت. ولتاژ باتری بزرگتر پس از یک روز از حدود 1.8 ولت به 1.6 ولت و سپس در روز سوم به حدود 1.45 ولت کاهش یافت، در حالی که باتری کوچکتر در مدت مشابه از 1.7 ولت به 1.35 ولت کاهش یافت.

این بسیار چشمگیر است که باتری می تواند به شکلی پایدار و قابل اعتماد کار کند زیرا دستگاه کلی از سیستم GI در حالت حیوان بزرگ عبور می کند.

جان راجرز، دانشمند مواد در دانشگاه نورث وسترن

این تیم از باتری ها برای تغذیه دو نوع دستگاه پزشکی در داخل خوک ها استفاده کرد. باتری کوچکتر یک برچسب RFID بی سیم (شناسایی فرکانس رادیویی) را تغذیه می کرد. سنسورهای مشابه مبتنی بر RFID قبلا روی افراد آزمایش شده بود، اما حسگر مورد استفاده در این مطالعه تجربی بود. محققان آن را در مری قرار دادند، جایی که برچسب با یک گیرنده در فاصله 5 فوتی (1.5 متری) ارتباط برقرار می کرد و به محققان اجازه می داد تشخیص دهند که خوک ها چه زمانی دارو را بلعیده اند.

باتری بزرگتر یک کپسول قابل بلع را تامین می کرد که معده را به صورت الکتریکی تحریک می کرد. این باعث افزایش سطح هورمون تحریک گرسنگی گرلین در خون می شود بدون اینکه آسیب بافتی قابل مشاهده در محل تحریک ایجاد شود. تحریک الکتریکی معده در حال حاضر در افراد مبتلا به گاستروپارزی شدید استفاده می شود، وضعیتی که سرعت تخلیه معده را کاهش می دهد. کپسول با باتری تست شده در این مطالعه تجربی است.

جان راجرز، پیشگام در بیوالکترونیک و دانشمند مواد در دانشگاه نورث وسترن که در این مطالعه شرکت نداشت، می‌گوید: «بسیار چشمگیر است که باتری می‌تواند به شکلی پایدار و قابل اعتماد عمل کند، زیرا دستگاه کلی از سیستم GI در یک مدل حیوانی بزرگ عبور می‌کند.

باتری و اجزای زیست تخریب پذیر آن خراب شدند، اما برد مدار الکترونیکی مورد استفاده برای آزمایش تحریک معده خراب نشد. در عوض خوک ها به طور طبیعی از آن عبور کردند. راجرز می‌گوید: «قابلیت جذب زیستی هر قسمت از دستگاه می‌تواند خطر گیرکردن اجزای باقی‌مانده در دستگاه گوارش را از بین ببرد.»

داستان های مرتبط

شارژر بی‌سیمی که زیر پوست شما قرار می‌گیرد، می‌تواند دستگاه‌های پزشکی را قبل از حل شدن در بدن شما تامین کند

دانشمندان MIT باتری هایی به اندازه مو می سازند که می تواند ربات های اندازه سلولی را تامین کند

دانشمندان در حال توسعه یک دستگاه "خودران" هستند که به بیماران کمک می کند پس از حملات قلبی بهبود یابند

تراورسو گفت که بزرگترین چالش باقی مانده محققان کنترل طول عمر باتری و قابل پیش بینی تر کردن خرابی آن است.

محققان همچنین تغییراتی را بین باتری ها یافتند که آن را به عواملی در ساخت آنها نسبت دادند، از جمله میزان تماس بین لایه ها، توزیع الکترولیت آنها و تفاوت در ضخامت پوشش مومی. این تیم اکنون در حال کار بر روی استاندارد ساختن و تنظیم پوشش است تا باتری‌ها بتوانند برای دوره‌های زمانی خاص، از ساعت‌ها تا روزها، طراحی شوند.

این تیم همچنین قصد دارد آزمایش‌های طولانی‌تری را تحت شرایطی انجام دهد که بیشتر شبیه دستگاه گوارش انسان باشد. تراورسو گفت که آنها در حال کار برای آزمایش بالینی اولیه سیستم RFID هستند که می تواند در حدود دو سال آینده آغاز شود.