Implanterbare batterier kan køre på kroppens egen ilt

Fra pacemakere til neurostimulatorer, implanterbart medicinsk udstyr er afhængigt af batterier for at holde hjertet i gang og dæmpe smerte. Men batterierne løber efterhånden lavt og kræver invasive operationer for at udskifte dem.

For at løse disse udfordringer har forskere i Kina udtænkt et implanterbart batteri, der kører på ilt i kroppen. Undersøgelsen blev offentliggjort 27. marts i tidsskriftet Chem , viser, at proof-of-concept-designet hos rotter kan levere stabil kraft og er kompatibelt med biologiske systemer.

"Når du tænker over det, er ilt kilden til vores liv," siger den korresponderende forfatter Xizheng Liu, som har specialiseret sig i energimaterialer og enheder ved Tianjin University of Technology. "Hvis vi kan udnytte den kontinuerlige forsyning af ilt i kroppen, vil batterilevetiden ikke blive begrænset af de endelige materialer i konventionelle batterier."

For at bygge et sikkert og effektivt batteri lavede forskerne sine elektroder af en natriumbaseret legering og nanoporøst guld, et materiale med porer tusindvis af gange mindre end et hårs bredde. Guld har været kendt for dets kompatibilitet med levende systemer, og natrium er et essentielt og allestedsnærværende element i den menneskelige krop. Elektroderne gennemgår kemiske reaktioner med ilt i kroppen for at producere elektricitet. For at beskytte batteriet indkapslede forskerne det i en porøs polymerfilm, der er blød og fleksibel.

Forskerne implanterede derefter batteriet under huden på ryggen af ​​rotter og målte dets elektricitet. To uger senere fandt de ud af, at batteriet kunne producere stabile spændinger mellem 1,3 V og 1,4 V med en maksimal effekttæthed på 2,6 µW/cm ² . Selvom outputtet er utilstrækkeligt til at drive medicinsk udstyr, viser designet, at det er muligt at udnytte ilt i kroppen til energi.

Holdet evaluerede også inflammatoriske reaktioner, metaboliske ændringer og vævsregenerering omkring batteriet. Rotterne viste ingen tilsyneladende betændelse. Biprodukter fra batteriets kemiske reaktioner, herunder natriumioner, hydroxidioner og lave niveauer af hydrogenperoxid, blev let metaboliseret af kroppen og påvirkede ikke nyrerne og leveren. Rotterne helede godt efter implantation, og håret på ryggen var helt groet tilbage efter fire uger. Til forskernes overraskelse blev der også regenereret blodkar omkring batteriet.

"Vi var forundrede over det ustabile elektricitetsoutput lige efter implantation," siger Liu. "Det viste sig, at vi var nødt til at give såret tid til at hele, for at blodkarrene kunne regenerere omkring batteriet og levere ilt, før batteriet kunne levere stabil elektricitet. Det er et overraskende og interessant fund, fordi det betyder, at batteriet kan hjælpe med at overvåge sårheling."

Dernæst planlægger teamet at øge batteriets energiforsyning ved at udforske mere effektive materialer til elektroderne og optimere batteriets struktur og design. Liu bemærkede også, at batteriet er nemt at skalere op i produktionen, og at vælge omkostningseffektive materialer kan sænke prisen yderligere. Holdets batteri kan også finde andre formål end at drive medicinsk udstyr.

"Fordi tumorceller er følsomme over for iltniveauer, kan implantering af dette iltforbrugende batteri omkring det hjælpe med at udsulte kræftformer. Det er også muligt at omdanne batterienergien til varme for at dræbe kræftceller," siger Liu. "Fra en ny energikilde til potentielle bioterapier er udsigterne for dette batteri spændende."

Flere oplysninger: Implanterbart og biokompatibelt Na-O2-batteri, Chem (2024). DOI:10.1016/j.chempr.2024.02.012. www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(24)00074-3

Journaloplysninger: Kem

Leveret af celletryk