Bateria, którą możesz połknąć. Po wykonaniu zadania sama znika

Baterii raczej nie kojarzymy z czymś, co powinno znaleźć się w naszym żołądku. Naukowcy z MIT właśnie jednak stworzyli taką, której docelowym miejscem pracy jest przewód pokarmowy. Ma zasilać połykane urządzenia medyczne przez kilka dni, a kiedy przestanie być potrzebna, stopniowo się rozpaść.

W testach nowa bateria wystarczyła do zasilania dwóch zupełnie różnych urządzeń. Jedno wysyłało z wnętrza organizmu sygnał radiowy, drugie elektrycznie pobudzało ścianę żołądka. Badania przeprowadzono na świniach, więc do podania podobnej kapsułki człowiekowi jeszcze daleka droga. Sam pomysł rozwiązuje jednak jeden z największych problemów połykanej elektroniki: skąd wziąć dla niej energię, nie zostawiając przy okazji w organizmie zwykłej baterii.

Połykana elektronika nie jest jakąś całkowitą nowością. Powstają już kapsułki mierzące temperaturę, oddech, pracę przewodu pokarmowego, uwalniające leki albo przekazujące informacje na zewnątrz organizmu. Już wcześniej pisaliśmy o kapsułce opracowanej przez MIT, która po połknięciu potrafiła monitorować tętno i sposób oddychania pacjenta.

Im więcej takich funkcji, tym częściej pojawia się jednak potrzeba własnego źródła zasilania. Można przesyłać energię bezprzewodowo albo próbować odzyskiwać ją z samego organizmu, ale najprostszym rozwiązaniem nadal pozostaje niewielka bateria.

Tyle że zwykła bateria guzikowa jest jednym z ostatnich przedmiotów, które chcielibyśmy przypadkowo uszkodzić wewnątrz przewodu pokarmowego. Stosowane w takich ogniwach materiały i elektrolity mogą po rozszczelnieniu uszkadzać tkanki. Problem jest znany z przypadków przypadkowego połykania baterii przez dzieci.

Zespół kierowany przez Giovanniego Traverso podszedł więc do sprawy od drugiej strony. Skoro bateria ma pracować wewnątrz człowieka, najlepiej zbudować ją z materiałów, które po zakończeniu pracy organizm będzie w stanie stopniowo rozłożyć albo wydalić.

Nowe ogniwo wygląda niepozornie, ale tylko na pierwszy rzut oka. Badacze przygotowali dwa warianty: niewielki krążek o średnicy 7,5 mm oraz podłużną baterię o długości 24 mm. Mniejszą wersję można zmieścić w standardowej kapsułce żelatynowej używanej do leków.

Anodę wykonano ze stopu magnezu, a katodę z kompozytu na bazie trójtlenku molibdenu. Pomiędzy nimi znajduje się żelowy elektrolit. Całość zabezpieczono naturalnymi woskami, m.in. pszczelim i kandelilowym, które mają powstrzymać kwas żołądkowy przed zbyt szybkim dobraniem się do wnętrza baterii.

Nie chodzi więc o baterię jadalną w takim sensie, jak jadalny papier czy kapsułka witaminy. Materiały dobrano pod kątem biokompatybilności i możliwości stopniowego zaniku w warunkach panujących w organizmie. To właśnie oznacza określenie bioresorbowalna. Ogniwo osiągnęło napięcie 1,84 V. Nie robi to wielkiego wrażenia obok akumulatora smartfona, ale dla miniaturowej elektroniki medycznej wystarczy całkowicie.

Naukowcom zależało nie tylko na tym, żeby bateria się rozłożyła. Najpierw musi przecież zdążyć wykonać swoje zadanie.

W płynie naśladującym bardzo kwaśne środowisko żołądka ogniwo zachowywało swoją strukturę i pracowało przez około 3 dni. Dopiero później jego wydajność zaczynała stopniowo spadać. Woskowa powłoka działa więc trochę jak zegar: przez określony czas izoluje wnętrze, a później pozwala płynom dostać się do kolejnych warstw.

Sam rozpad nie następuje oczywiście w kilka minut. Poszczególne elementy mogą zanikać przez tygodnie, a pełną degradację całego systemu badacze projektują w perspektywie nawet kilku miesięcy. Najważniejsze jest jednak to, że po okresie działania urządzenie nie wymaga specjalnej operacji tylko po to, żeby wyjąć zużyte źródło energii.

W przypadku szybko przemieszczających się kapsułek część urządzenia i tak może zwyczajnie opuścić organizm wraz z treścią jelitową. Bioresorbowalność jest wtedy dodatkowym zabezpieczeniem. Znacznie ważniejsza staje się przy urządzeniach, które mają pozostać w żołądku przez kilka dni.

Pierwszy test nowej baterii dotyczył sprawdzenia, czy pacjent rzeczywiście przyjął lek. Badacze połączyli baterię z niewielkim znacznikiem RFID. Połknięta kapsułka mogła dzięki temu wysyłać sygnał z przewodu pokarmowego do odbiornika znajdującego się poza ciałem. W doświadczeniach na zwierzętach komunikacja działała stale, a zasięg sięgał około 1,5 m.

Nie chodzi oczywiście o śledzenie człowieka po mieście. Taki system ma potwierdzać samo przyjęcie leku i jego obecność w przewodzie pokarmowym. Może mieć znaczenie np. w terapiach, w których pomijanie kolejnych dawek bardzo szybko odbija się na skuteczności leczenia.

Wcześniejsza wersja tego rozwiązania korzystała z pasywnego RFID, które nie miało własnej baterii i musiało pozyskiwać energię z zewnątrz. Własne, bezpieczne źródło zasilania pozwala wysyłać sygnał mocniej i na większą odległość.

Naukowcy planują już badanie kliniczne systemu do monitorowania przyjmowania leków, choć według obecnych planów miałoby ono rozpocząć się dopiero za około 2 lata. Sama nowa bateria pozostaje więc na razie rozwiązaniem przedklinicznym.

Jeszcze ciekawszy jest drugi eksperyment. Badacze wykorzystali większą wersję baterii do zasilania kapsułki, która dostarcza niewielki prąd bezpośrednio do ściany żołądka. To pomysł rozwijany przez ten sam zespół od kilku lat. Delikatna stymulacja elektryczna może wpływać na komórki odpowiedzialne za produkcję hormonów regulujących apetyt.

W doświadczeniu na świniach wystarczyło 20 min stymulacji, żeby stężenie greliny we krwi wzrosło o około 50 proc. Grelina bywa nazywana hormonem głodu, ponieważ jej poziom rośnie m.in. przed posiłkiem i bierze udział w regulacji apetytu.

Taki efekt mógłby kiedyś znaleźć zastosowanie u pacjentów, którzy z powodu choroby tracą apetyt i masę ciała. Jednym z możliwych kierunków jest kacheksja, czyli wyniszczenie występujące m.in. w chorobach nowotworowych i innych ciężkich schorzeniach przewlekłych.

Do terapii jest jednak jeszcze bardzo daleko. Badanie miało przede wszystkim pokazać, że małe rozpuszczalne ogniwo faktycznie potrafi zasilać urządzenie wykonujące w organizmie konkretne zadanie, a nie tylko zapalić diodę w warunkach laboratoryjnych.

W kapsułce stymulującej żołądek bioresorbowalne były bateria, elektrody, połączenia elektryczne i większość konstrukcji. Nie udało się jeszcze w ten sposób wykonać całej płytki drukowanej sterującej urządzeniem.

To oznacza, że nie można powiedzieć, że obecny prototyp po prostu znika w organizmie w 100 proc. Elementy, które nie ulegają rozkładowi, muszą zostać naturalnie wydalone. Badacze wprost wskazują stworzenie całkowicie bioresorbowalnej elektroniki sterującej jako jeden z kolejnych etapów pracy.

Pozostaje też sporo bardziej przyziemnych pytań. Testy wykonano na niewielkiej liczbie świń i w kontrolowanych warunkach, m.in. na czczo. W prawdziwym przewodzie pokarmowym zmienia się pH, ilość jedzenia, śluzu i tempo przesuwania treści, a wszystkie te rzeczy mogą wpływać zarówno na działanie urządzenia, jak i tempo jego rozpadu.

Przeczytaj także:

Właśnie dlatego nikt nie będzie jeszcze sprzedawał takich kapsułek w aptece. Na tym etapie najważniejsze jest coś innego: naukowcom udało się pokazać, że bateria przeznaczona do zniknięcia nie musi być przy okazji baterią słabą.

Może przez kilka dni normalnie zasilać elektronikę w żołądku, wysyłać sygnał poza ciało albo uruchomić terapię elektryczną. A kiedy nie jest już potrzebna, zaczyna znikać razem z urządzeniem, dla którego powstała.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI