Wetenschap
Implanteerbare batterijen kunnen op de lichaamseigen zuurstof werken
Van pacemakers tot neurostimulators:implanteerbare medische apparaten zijn afhankelijk van batterijen om het hart kloppend te houden en pijn te verzachten. Maar de batterijen raken uiteindelijk leeg en vereisen invasieve operaties om ze te vervangen.
Om deze uitdagingen aan te pakken, hebben onderzoekers in China een implanteerbare batterij ontworpen die op zuurstof in het lichaam werkt. De studie, gepubliceerd op 27 maart in het tijdschrift Chem , laat zien dat het proof-of-concept-ontwerp bij ratten stabiele energie kan leveren en compatibel is met biologische systemen.
"Als je erover nadenkt, is zuurstof de bron van ons leven", zegt corresponderende auteur Xizheng Liu, gespecialiseerd in energiematerialen en apparaten aan de Tianjin University of Technology. "Als we de continue toevoer van zuurstof in het lichaam kunnen benutten, zal de levensduur van de batterij niet beperkt worden door de eindige materialen in conventionele batterijen."
Om een veilige en efficiënte batterij te bouwen, maakten de onderzoekers de elektroden van een natriumlegering en nanoporeus goud, een materiaal met poriën die duizenden keren kleiner zijn dan een haarbreedte. Goud staat bekend om zijn compatibiliteit met levende systemen, en natrium is een essentieel en alomtegenwoordig element in het menselijk lichaam. De elektroden ondergaan chemische reacties met zuurstof in het lichaam om elektriciteit te produceren. Om de batterij te beschermen, hebben de onderzoekers deze omhuld met een poreuze polymeerfilm die zacht en flexibel is.
De onderzoekers implanteerden vervolgens de batterij onder de huid van de ruggen van ratten en maten de elektriciteitsopbrengst ervan. Twee weken later ontdekten ze dat de batterij stabiele spanningen tussen 1,3 V en 1,4 V kon produceren, met een maximale vermogensdichtheid van 2,6 µW/cm 2 . Hoewel de output onvoldoende is om medische apparaten van stroom te voorzien, laat het ontwerp zien dat het benutten van zuurstof in het lichaam voor energie mogelijk is.
Het team evalueerde ook ontstekingsreacties, metabolische veranderingen en weefselregeneratie rond de batterij. De ratten vertoonden geen duidelijke ontsteking. Bijproducten van de chemische reacties van de batterij, waaronder natriumionen, hydroxide-ionen en lage niveaus van waterstofperoxide, werden gemakkelijk door het lichaam gemetaboliseerd en hadden geen invloed op de nieren en de lever. De ratten genazen goed na implantatie, waarbij het haar op hun rug na vier weken volledig teruggroeide. Tot verbazing van de onderzoekers regenereerden ook de bloedvaten rondom de batterij.
"We waren verbaasd over de onstabiele elektriciteitsproductie direct na de implantatie", zegt Liu. ‘Het bleek dat we de wond de tijd moesten geven om te genezen, zodat de bloedvaten rond de batterij konden regenereren en zuurstof konden leveren, voordat de batterij stabiele elektriciteit kon leveren. Dit is een verrassende en interessante bevinding, omdat het betekent dat de batterij kan helpen bij het monitoren van de wond. wondgenezing."
Vervolgens wil het team de energielevering van de batterij verbeteren door efficiëntere materialen voor de elektroden te onderzoeken en de structuur en het ontwerp van de batterij te optimaliseren. Liu merkte ook op dat de productie van de batterij eenvoudig kan worden opgeschaald en dat het kiezen van kosteneffectieve materialen de prijs verder kan verlagen. De batterij van het team kan ook voor andere doeleinden worden gebruikt dan het voeden van medische apparaten.
"Omdat tumorcellen gevoelig zijn voor zuurstofniveaus, kan het implanteren van deze zuurstofverbruikende batterij eromheen kanker helpen uithongeren. Het is ook mogelijk om de batterij-energie om te zetten in warmte om kankercellen te doden", zegt Liu. "Van een nieuwe energiebron tot potentiële biotherapieën:de vooruitzichten voor deze batterij zijn opwindend."