Elektronische Geräte zur ständigen Überwachung der Gesundheit des Patienten sind in der modernen Medizin sehr gefragt. Diese Implantate können aus völlig sicheren Materialien hergestellt werden und signalisieren einen Anstieg des Blutzuckerspiegels, des Blutdrucks oder des Auftretens einer Immunantwort auf Medikamente.
Trotz der langfristigen Leistung müssen solche Geräte eines Tages entsorgt werden. Die offensichtliche Lösung des Problems - die chirurgische Entfernung des Implantats - ist eindeutig nicht die beste, da ein solcher Eingriff schmerzhaft und manchmal gefährlich sein wird.
Daher entwickeln viele Gruppen von Bioingenieuren auf der ganzen Welt Geräte, die in den Körper eingebaut sind und sich nach dem Verfallsdatum selbständig auflösen und aus dem Körper entfernt werden können.
„Die Herstellung solcher Implantate ist ein großer Schritt nach vorne. Bis vor kurzem wurden bei der Entwicklung löslicher biomedizinischer Geräte keine Fortschritte erzielt “, sagt Co-Autor Jeffrey Borenstein über die neue Studie am Draper Laboratory in Massachusetts, USA.
Im Jahr 2012 stellten Borensteins Kollege John Rogers von der University of Illinois und seine Gruppe eine Reihe biologisch abbaubarer Siliziumchips vor, mit denen Temperatur oder mechanische Verformung gesteuert, Informationen an Geräte außerhalb des Körpers (z. B. an einen Computer oder ein Smartphone) übertragen und sogar Körpergewebe erwärmt werden können. um eine Infektion zu verhindern. Einige dieser Chips wurden von Induktionsspulen gespeist, die drahtlosen Strom von externen Quellen lieferten.
Die drahtlose Energieübertragung ist jedoch nicht sehr gut für subkutane Implantate geeignet, die manchmal in tiefen Gewebeschichten oder sogar unter dem Knochen platziert werden müssen. Darüber hinaus sind die Komponenten für solche Geräte sehr komplex und umständlich. Nach der Untersuchung dieser Probleme haben Rogers und sein Team optimierte, vollständig biologisch abbaubare Batterien entwickelt, um vorhandene Geräte zu ergänzen.
Die Ingenieure verwendeten Magnesiumfolie als Anoden und eine Platte aus Eisen, Molybdän oder Wolfram für Kathoden. Alle diese Metalle lösen sich langsam im Körper auf und ihre Ionen in geringen Konzentrationen sind biokompatibel.
Der Elektrolyt zwischen den beiden Elektroden ist ein Natriumphosphatpuffer. Alle diese Komponenten sind auch in einem biologisch abbaubaren Polymer, Polyanhydrid, verpackt.
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Wie in einem Artikel in der Zeitschrift Advanced Materials berichtet, kann die Stromstärke des Geräts je nach dem in der Kathode verwendeten Metall variieren. Beispielsweise ergibt eine 1 cm² große Zelle mit einer 50 Mikrometer dicken Magnesiumanode und einer 8 Mikrometer dicken Molybdänkathode 2,4 Milliampere.
Nach dem Auflösen setzt die Batterie weniger als 9 Milligramm Magnesium frei (Foto von der University of Illinois).
Nach dem Auflösen setzt die Batterie weniger als 9 Milligramm Magnesium frei, was etwa dem doppelten Magnesium-Koronararterienstent entspricht, der in klinischen Studien erfolgreich getestet wurde. Solche Konzentrationen können keine Probleme verursachen, sagte Rogers.
Bisher sind alle Versionen des biologisch abbaubaren Geräts 24 Stunden lang im Körper funktionsfähig, aber die Ingenieure arbeiten bereits daran, die potenzielle Lebensdauer der Produktivität zu erhöhen. Sie hoffen auch, die Energiedichte durch Modifizierung der Oberfläche der Magnesiumfolie zu erhöhen. Die große Oberfläche erhöht die Reaktivität des Materials. Nach vorläufigen Schätzungen der Autoren der Studie kann eine Batterie mit einer Dicke von 0,25 Quadratzentimetern und einer Dicke von nur einem Mikrometer einen subkutanen Sensor tagsüber durchaus mit Strom versorgen.
Beachten Sie, dass Rogers 'Entwicklung ein potenzieller Konkurrent von Christopher Bettingers Projekt ist: Letzteres verwendete das Hautpigment Melanin, um die Anoden für maximale Sicherheit des Bioakkumulators zu erzeugen. Eine vergleichende Analyse ergab jedoch, dass Rogers 'Magnesiumanodenbatterien genauso sicher sind, aber eine höhere Energiedichte und eine längere Lebensdauer haben, was bedeutet, dass sie gewinnen.
Borenstein fügt hinzu, dass solche Geräte nicht nur zur biomedizinischen Überwachung und Arzneimittelabgabe verwendet werden können, sondern beispielsweise auch als Sensoren zur kontinuierlichen Beurteilung des Umweltzustands. Abbaubare Sensoren können im Ozean platziert werden, wo sie den Verschmutzungsgrad überwachen und sich am Ende ihres Lebens fast spurlos auflösen.