Elektroniset laitteet potilaan terveyden jatkuvaan seurantaan ovat nykyaikaisessa lääketieteessä erittäin kysyttyjä. Nämä implantit voidaan valmistaa täysin turvallisista materiaaleista ja signaalitasoista verensokeritasoissa, verenpaineessa tai immuunivasteen esiintymisessä lääkkeille.
Pitkän aikavälin suorituskyvystä huolimatta tällaiset laitteet on hävitettävä jonain päivänä. Ilmeinen ratkaisu ongelmaan - implantin kirurginen poisto - ei selvästikään ole paras, koska kaikki tällaiset toimet ovat tuskallisia ja joskus vaarallisia.
Siksi monet biotekniikkaryhmät ympäri maailmaa kehittävät kehoon sisäänrakennettuja laitteita, jotka voisivat itsenäisesti liueta ja poistua kehosta viimeisen käyttöpäivän jälkeen.
”Tällaisten implanttien luominen on iso askel eteenpäin. Viime aikoihin asti liukenevien biolääketieteellisten laitteiden kehittämisessä ei ole edistytty”, kertoo kirjoittaja Jeffrey Borenstein Draperin laboratoriosta Massachusettsissa, USA.
Vuonna 2012 Borensteinin kollega materiaalitieteilijä John Rogers Illinoisin yliopistosta ja hänen ryhmänsä esittivät sarjan biohajoavia piihakkeita, jotka kykenevät hallitsemaan lämpötilaa tai mekaanista muodonmuutosta, välittämään tietoa kehon ulkopuolisille laitteille (esimerkiksi tietokoneelle tai älypuhelimelle) ja jopa lämmittämään kehon kudoksia. tartunnan estämiseksi. Jotkut näistä siruista saivat virtaa induktiokäämeistä langattoman virran saamiseksi ulkoisista lähteistä.
Mutta langaton energiansiirto ei ole kovin sopiva ihonalaisiin implantteihin, jotka on joskus asetettava syviin kudoskerroksiin tai jopa luun alle. Lisäksi tällaisten laitteiden komponentit ovat hyvin monimutkaisia ja hankalia. Tutkittuaan nämä kysymykset Rogers ja hänen tiiminsä ovat luoneet optimoituja täysin biohajoavia paristoja täydentämään olemassa olevia laitteita.
Insinöörit käyttivät anodina magnesiumfoliota ja katodeina rautalevyä, molybdeenia tai volframia. Kaikki nämä metallit liukenevat hitaasti kehoon, ja niiden ionit pieninä pitoisuuksina ovat biologisesti yhteensopivia.
Kahden elektrodin välinen elektrolyytti on natriumfosfaattipuskuri. Kaikki nämä komponentit on pakattu myös biohajoavaan polymeeriin, polyanhydridiin.
Mainosvideo:
Kuten Advanced Materials -lehdessä julkaistussa artikkelissa kerrotaan, laitteen ampeerimäärä voi vaihdella katodissa käytetyn metallin mukaan. Esimerkiksi yhden neliösenttimetrin pinta-alainen solu, jossa on 50 mikrometriä paksu magnesiumanodi ja 8 mikrometriä paksu molybdeenikatodi, antaa 2,4 milliampeeria.
Liuotettuaan akusta vapautuu alle 9 milligrammaa magnesiumia. (Kuva Illinoisin yliopistosta)
Liuotettuaan tällaisesta paristosta vapautuu alle 9 milligrammaa magnesiumia, mikä on suunnilleen kaksinkertainen kliinisissä tutkimuksissa menestyksekkäästi testattu magnesium-sepelvaltimo-stentti. Tällaiset pitoisuudet eivät välttämättä aiheuta ongelmia, Rogers sanoi.
Toistaiseksi kaikki biohajoavan laitteen versiot pystyvät toimimaan kehossa 24 tuntia, mutta insinöörit pyrkivät jo lisäämään tuottavuuden potentiaalista käyttöikää. He toivovat myös lisäävän energiatiheyttä muuttamalla magnesiumkalvon pintaa. Suuri pinta-ala lisää materiaalin reaktiivisuutta. Tutkimuksen tekijöiden alustavien arvioiden mukaan 0,25 neliösenttimetrin ja vain yhden mikrometrin paksuinen paristo kykenee käyttämään ihonalaista anturia päivällä.
Huomaa, että Rogersin kehitys on potentiaalinen kilpailija Christopher Bettinger -projektissa: jälkimmäinen käytti ihon pigmenttiä melaniinia anodien luomiseen biokertimen maksimaalisen turvallisuuden takaamiseksi. Vertaileva analyysi osoitti kuitenkin, että Rogersin magnesiumanodiakut ovat yhtä turvallisia, mutta niiden energiatiheys on suurempi ja pidempi käyttöikä, mikä tarkoittaa, että ne voittavat.
Borenstein lisää, että mitä tahansa tällaisia laitteita voidaan käyttää paitsi lääketieteelliseen seurantaan ja lääkkeiden toimittamiseen myös esimerkiksi antureina ympäristön tilan jatkuvaan arviointiin. Hajoavat anturit voidaan sijoittaa merelle, missä ne tarkkailevat saastumisastetta, ja elämänsä lopussa ne liukenevat melkein ilman jälkiä.