Νέα βρώσιμη χάρτινη μπαταρία τροφοδοτεί ιατρικά εντός του ανθρώπινου σώματος!

Σύνοψη

• Μηχανικοί του MIT ανέπτυξαν μια βρώσιμη, βιοδιασπώμενη μπαταρία από χαρτί, φυσικό κερί μέλισσας και μεταλλικά ιχνοστοιχεία για την τροφοδοσία ιατρικών συσκευών εντός του ανθρώπινου σώματος.
• Η μπαταρία μπορεί να αποδώσει μέγιστη τάση 1.84V και έχει δοκιμαστεί επιτυχώς στο γαστρεντερικό σύστημα χοίρων, παραμένοντας λειτουργική για έως και τρεις ημέρες.
• Κατά τη διάρκεια των δοκιμών, το σύστημα τροφοδότησε επιτυχώς αισθητήρες RFID για ασύρματη επικοινωνία σε απόσταση 1.5 μέτρου και κάψουλες γαστρικής ηλεκτρικής διέγερσης.
• Η αποδόμηση της μπαταρίας γίνεται με απόλυτα φυσικό τρόπο, αφήνοντας στον οργανισμό μόνο μικρές ποσότητες μετάλλων ως διατροφικά συμπληρώματα, αν και το κύκλωμα των ίδιων των μικροτσίπ παραμένει προς το παρόν μη βιοδιασπώμενο.

Η ερευνητική ομάδα του MIT παρουσίασε μια καινοτόμο βιοδιασπώμενη μπαταρία, η οποία κατασκευάζεται σχεδόν εξ ολοκλήρου από χαρτί και μπορεί να καταποθεί με απόλυτη ασφάλεια προκειμένου να τροφοδοτήσει εσωτερικές ιατρικές συσκευές. 

Η πρωτοποριακή μηχανική προσέγγιση απαντά ευθέως στο χρόνιο πρόβλημα της τοξικότητας των παραδοσιακών πηγών ενέργειας που χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα ιατρικά εμφυτεύματα και τις έξυπνες διαγνωστικές κάψουλες, καθώς η αρχιτεκτονική βασίζεται σε έναν πολυεπίπεδο σχεδιασμό τύπου σάντουιτς, ο οποίος ενσωματώνει υλικά που ήδη υπάρχουν στην ανθρώπινη διατροφή ή μπορούν να μεταβολιστούν χωρίς καμία απολύτως παρενέργεια.

Πώς λειτουργεί η βρώσιμη χάρτινη μπαταρία

Η νέα βρώσιμη μπαταρία του MIT χρησιμοποιεί άνοδο από κράμα μαγνησίου, κάθοδο από τριοξείδιο του μολυβδαινίου και περίβλημα πορώδους χαρτιού κυτταρίνης με επικάλυψη φυσικού κεριού μέλισσας. Αποδίδει μέγιστη τάση 1.84V, λειτουργεί σταθερά για τρεις ημέρες στο γαστρεντερικό σύστημα και διασπάται πλήρως χωρίς να αφήνει τοξικά κατάλοιπα, τροφοδοτώντας αξιόπιστα εσωτερικούς ιατρικούς αισθητήρες.

Η επιλογή των δομικών υλικών καταδεικνύει την εφευρετικότητα της επιστημονικής ομάδας καθώς η άνοδος, δηλαδή ο αρνητικός πόλος της διάταξης, αποτελείται από ένα πλήρως βιοσυμβατό κράμα μαγνησίου, ενώ η κάθοδος, ο θετικός πόλος, ενσωματώνει τριοξείδιο του μολυβδαινίου, το οποίο έχει αναμειχθεί με ενεργό άνθρακα για να προωθήσει την αποδοτικότερη δυνατή αποθήκευση του ηλεκτρικού φορτίου. 

Αξίζει να σημειωθεί πως τόσο το μαγνήσιο όσο και το μολυβδαίνιο αποτελούν βασικά μεταλλικά ιχνοστοιχεία τα οποία οι ανθρώπινες μεταβολικές οδοί επεξεργάζονται τακτικά σε μικρές διατροφικές ποσότητες, γεγονός που εκμηδενίζει τον κίνδυνο βαριάς δηλητηρίασης του οργανισμού κατά την αναπόφευκτη φάση της σταδιακής αποδόμησης μέσα στο έντερο. Ο ηλεκτρολύτης, ο οποίος διευκολύνει τη μεταφορά των ιόντων για την παραγωγή του ρεύματος, είναι ένα καινοτόμο βιοδιασπώμενο ιοντικό υγρό που παρασκευάζεται αποκλειστικά από χλωριούχο χολίνη και γαλακτικό οξύ, τοποθετημένο προσεκτικά μέσα σε ένα προστατευτικό τζελ με βάση τη ζελατίνη το οποίο εγκλωβίζεται ανάμεσα στα δύο ηλεκτρόδια.

Αντί να χρησιμοποιήσουν άκαμπτα συνθετικά συνδετικά υλικά, οι μηχανικοί ενσωμάτωσαν πορώδεις νανοΐνες κυτταρίνης σε ένα εύκαμπτο φύλλο που μοιάζει με παραδοσιακό χαρτί και κρατά τα ενεργά ηλεκτρόδια σταθερά στη θέση τους. Ο επικεφαλής ερευνητής αποκάλυψε ότι η δομική αντίληψη άντλησε έμπνευση από τα βρώσιμα περιτυλίγματα ρυζόχαρτου που χρησιμοποιούνται παραδοσιακά γύρω από διάφορα είδη ζαχαροπλαστικής της ασιατικής κουζίνας, προσφέροντας μια απλή αλλά εξαιρετικά αποτελεσματική λύση στο πρόβλημα της συγκράτησης των υλικών. Το δίκτυο κυτταρίνης που προκύπτει από αυτή την προσεκτική βιομηχανική επεξεργασία παρέχει εξαιρετική μηχανική αντοχή, ενώ παράλληλα επιτρέπει στον ηλεκτρολύτη να διαχέεται ελεύθερα στις αγώγιμες επιφάνειες για την απρόσκοπτη παραγωγή της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας. 

Το προφανές εμπόδιο της άμεσης και καταστροφικής διάβρωσης από τα εξαιρετικά όξινα γαστρικά υγρά του στομάχου, τα οποία υπό φυσιολογικές συνθήκες θα κατέστρεφαν πρόωρα το ευαίσθητο χάρτινο περίβλημα προκαλώντας άμεσο βραχυκύκλωμα της συσκευής, ξεπεράστηκε μέσω της εμβάπτισης ολόκληρης της διάταξης σε καθαρισμένο κερί μέλισσας, δημιουργώντας έτσι ένα εξαιρετικά ανθεκτικό, υδρόφοβο φράγμα για τις πρώτες κρίσιμες ώρες της πέψης.

Κατά τη διάρκεια των εκτεταμένων προκλινικών δοκιμών που πραγματοποιήθηκαν σε μοντέλα ζωντανών χοίρων, το καινοτόμο σύστημα απέδειξε περίτρανα την ικανότητά του να παρέχει σταθερή τροφοδοσία υπό πραγματικές, εξαιρετικά αντίξοες και δυναμικές βιολογικές συνθήκες. Η παραγόμενη τάση έφτασε στην κορύφωσή της στα 1.84 Volt, μια τιμή απολύτως συγκρίσιμη με τις τυπικές αλκαλικές μπαταρίες του εμπορίου, ενώ η μέγιστη χωρητικότητα μετρήθηκε στα 3.5 mAh για την μεγαλύτερη εκδοχή της συσκευής, επιτρέποντας την εκτέλεση ενεργοβόρων λειτουργιών για μεγάλο χρονικό διάστημα. 

Οι ερευνητές φρόντισαν να κατασκευάσουν δύο διαφορετικά μεγέθη για να καλύψουν πολλαπλές ιατρικές ανάγκες. Μια εξαιρετικά συμπαγή μπαταρία διαμέτρου μόλις 7.5 mm, η οποία χωράει άνετα μέσα σε μια τυπική φαρμακευτική κάψουλα μεγέθους, καθώς και μια ελαφρώς μεγαλύτερη, πιο ισχυρή μονάδα διαστάσεων 24 x 8 mm σχεδιασμένη ειδικά για πιο απαιτητικές θεραπευτικές εφαρμογές. Το μικρότερο από τα δύο πρωτότυπα τροφοδότησε με απόλυτη επιτυχία έναν πειραματικό αισθητήρα αναγνώρισης μέσω ραδιοσυχνοτήτων (RFID), ο οποίος είχε τοποθετηθεί προσωρινά στον οισοφάγο των πειραματόζωων μέσω ενός εύκαμπτου ενδοσκοπίου, διατηρώντας σταθερή και απρόσκοπτη ασύρματη επικοινωνία με έναν εξωτερικό ψηφιακό δέκτη που βρισκόταν σε απόσταση ενάμισι μέτρου από το ζώο. Με αυτόν τον εξαιρετικά ακριβή τρόπο, οι θεράποντες ιατροί μπορούν να λαμβάνουν ποσοτικά δεδομένα και να επιβεβαιώνουν ψηφιακά εάν ένας ασθενής έχει όντως καταπιεί τη συνταγογραφούμενη φαρμακευτική του αγωγή, παρακολουθώντας την πορεία της κάψουλας μέσω της παρατηρούμενης διαφοράς στην ισχύ του ασύρματου σήματος.

Ιστορικά, η εφαρμογή ηλεκτρονικών συστημάτων εντός του ανθρώπινου γαστρεντερικού σωλήνα συνοδευόταν πάντοτε από τον διαρκή, δικαιολογημένο φόβο της παραμονής μιας συμβατικής μπαταρίας μέσα στον οργανισμό για παρατεταμένο χρονικό διάστημα. Οι παραδοσιακές μπαταρίες τύπου «κουμπιού» που ενσωματώνονται στα περισσότερα μικροσκοπικά ιατρικά εργαλεία περιέχουν τοξικά βαρέα μέταλλα και εξαιρετικά διαβρωτικούς ηλεκτρολύτες, με αποτέλεσμα η τυχαία διαρροή τους λόγω της αναμενόμενης έκθεσης στα στομαχικά οξέα να οδηγεί σε σοβαρή νέκρωση των βλεννογόνων ιστών ή σε δυνητικά θανατηφόρα χημικά εγκαύματα του οισοφάγου μέσα σε ελάχιστες ώρες από την κατάποση. 

Προκειμένου να αποφευχθούν οριστικά τέτοιου είδους επικίνδυνες ιατρικές επιπλοκές, οι επιστήμονες του MIT αναγκάστηκαν να επανεξετάσουν εξ αρχής την ίδια τη χημική σύσταση των μικροσκοπικών πηγών αποθήκευσης ενέργειας, απορρίπτοντας οριστικά κάθε τεχνητό υλικό που δεν συναντάται ήδη ελεύθερα στη φύση ή στις βασικές τροφές που καταναλώνουμε στην καθημερινότητά μας. Με την υιοθέτηση συστατικών όπως το μαγνήσιο και το προαναφερθέν μολυβδαίνιο, εξασφάλισαν ότι η τελική διάλυση της συσκευής θα λειτουργήσει απλώς ως ένα ήπιο διατροφικό συμπλήρωμα πολύτιμων μετάλλων για τον ταλαιπωρημένο ασθενή, καταργώντας πλήρως την ανάγκη για επεμβατική χειρουργική παρέμβαση προκειμένου να αφαιρεθεί η απενεργοποιημένη συσκευή από το έντερο.

Η μεγαλύτερη παραλλαγή της πρωτοποριακής μπαταρίας διαχειρίστηκε εξίσου εντυπωσιακά και απρόσκοπτα τα αυξημένα ηλεκτρικά φορτία, υποστηρίζοντας πλήρως την αδιάλειπτη λειτουργία μιας εξειδικευμένης κάψουλας ηλεκτρικής διέγερσης του στομάχου, η οποία αύξησε πειραματικά τα επίπεδα της γκρελίνης, της ορμόνης που ελέγχει και ρυθμίζει την όρεξη στον εγκέφαλο, κατά περίπου 50%. Μετά την πάροδο των τριών ημερών εντατικής και απρόσκοπτης λειτουργίας στο αφιλόξενο περιβάλλον του στομάχου, τα σφραγισμένα με κερί πρωτότυπα άρχισαν φυσιολογικά να αποσυντίθενται και έφτασαν σταδιακά σε πλήρη και απολύτως ακίνδυνη μοριακή διάλυση χωρίς να αφήσουν πίσω τους αιχμηρά υπολείμματα ή επικίνδυνα τοξικά κατάλοιπα που θα μπορούσαν να τραυματίσουν τα ευαίσθητα εσωτερικά τοιχώματα του παχέος εντέρου. 

Παρά τον δικαιολογημένο ενθουσιασμό, η παγκόσμια επιστημονική κοινότητα αναγνωρίζει ότι ορισμένα κρίσιμα δομικά στοιχεία των έξυπνων χαπιών, όπως τα ίδια τα μικροτσίπ RFID επικοινωνίας και οι συνοδευτικές πλακέτες των τυπωμένων κυκλωμάτων τους, δεν είναι ακόμη κατασκευασμένα από πλήρως βιοδιασπώμενα υλικά, υποδεικνύοντας τον ξεκάθαρο δρόμο για περαιτέρω εντατικές ερευνητικές προσπάθειες μέχρι να επιτευχθεί τελικά ο στόχος μιας 100% αφομοιώσιμης ηλεκτρονικής διαγνωστικής συσκευής.