В будущем имплантируемых медицинских устройств батарейки смогут «дышать» так же, как мы. Команда исследователей разработала инновационную имплантируемую и биосовместимую батарею Na-O2. Это новаторское устройство использует кислород, растворенный в жидкостях организма, в качестве активного компонента катода, что обещает стать долгосрочным источником энергии для различных медицинских применений. И попасть туда было непросто.
Глоток энергии
Как насчет кардиостимулятора, который не нужно менять каждые несколько лет? Или нейростимулятор который работает постоянно, не беспокоясь о зарядке? Эти сценарии, до вчерашнего дня казавшиеся научной фантастикой, стали немного ближе благодаря имплантируемой батарее Na-O2, разработанной исследовательской группой под руководством Ян Льв e Сичжэн Лю из Тяньцзиньского технологического университета, Китай.
Подробнее об исследовании можно узнать здесь.
Идея, стоящая за этим? Это так же просто, как и гениально: использовать кислород, уже присутствующий в тканях, в качестве «топлива» для батареи. На практике эта батарея «дышит» растворенным в жидкостях организма кислородом, подобно тому, как это делают наши легкие, когда они вдыхают воздух и переносят его в кровь.
Анатомия живой батареи
Но как создать батарею, которая будет работать в симбиозе с человеческим телом? Это, конечно, не прогулка по парку. Необходимы специальные материалы, гениальная архитектура и хорошая биосовместимость.
Сердцем этой батареи Na-O2 является катод., состоящий из нанопористого золота (NPG) катализатора, который облегчает реакцию восстановления кислорода. На практике этот губчатый материал захватывает O2 из жидкостей и превращает его в электричество.
С другой стороны анод, состоящий из сплава натрия, галлия и олова (NaGaSn), который действует как резервуар электронов. Этот инновационный материал решает проблемы безопасности и стабильности чистого металлического натрия, который имеет тенденцию быстро разлагаться в биологической среде.
Для разделения двух электродов имеется ионообменная мембрана (Нафион). который действует как защитный барьер. Все заключено в мягкую и биосовместимую оболочку из поли-L-лактат-ко-капролактона (PLCL), материала, который хорошо переносится организмом и который позволяет создать гибкую и имплантируемую батарею.
Вкратце: электрохимическая жемчужина. Устройство, в котором каждый компонент предназначен для работы в гармонии с живыми тканями, не вызывая побочных реакций или воспалений.
Имплантируемая батарея, энергия для жизни
Скажу в двух словах: эта ударная установка – не упражнение на стиль. Потенциал его применения огромен и конкретен. Во время испытаний на животных моделях устройство, имплантированное крысам, продемонстрировало стабильные и длительные электрохимические характеристики. с плотностью мощности 2,6 мкВт/см2 при напряжении 1,3 В в течение более 4 недель.
Это означает, что имплантируемая батарея Na-O2 может непрерывно питать различные медицинские устройства: от кардиостимуляторов до нейростимуляторов, от датчиков глюкозы до систем доставки лекарств. Аппараты, которые сегодня требуют частой замены или внешней подзарядки, со всеми вытекающими отсюда неудобствами и рисками для пациента.
Мало того: реакция разрядки батареи включает в себя потребление O2 из жидкостей организма, что само по себе может иметь терапевтический эффект. Да, потому что при некоторых патологических состояниях, таких как солидные опухоли или анаэробные инфекции, тканевая гипоксия является отягчающим фактором. Забирая часть кислорода из этих областей, батарея может создать среду, менее благоприятную для роста больных клеток.
Это немного похоже на мечту каждого врача: имплантируемое устройство, которое не только контролирует и стимулирует, но и синергетически лечит. Своего рода метаболический «кардиостимулятор», который также балансирует биохимию тканей.
Проблема биосовместимости
Конечно, путь впереди еще долгий и полный препятствий. Основной задачей распространения этой технологии является обеспечение ее полной биосовместимости и долгосрочной безопасности. Нельзя имплантировать в организм человека то, что рано или поздно вызывает проблемы.
В ходе экспериментов на крысах имплантируемая батарея Na-O2 показала отличную переносимость, не вызывая значительного воспаления или иммунных реакций. Продукты выделения, главным образом ионы Na+ и OH-, эффективно утилизируются почками и печенью, не нарушая гомеостаза. Кроме того, вокруг катода образуются новые капилляры, которые гарантируют постоянную подачу O2, демонстрируя идеальную интеграцию устройства в ткани хозяина.
Но крысы — не люди, и тестирование имплантируемой батареи на людях требует чрезвычайно высоких стандартов безопасности и строгих экспериментальных протоколов. Вы должны быть уверены, что каждый компонент стабилен и не выделяет токсичные вещества в долгосрочной перспективе. Необходимо убедиться в том, что характеристики остаются постоянными с течением времени и что отсутствуют опасные электрохимические дрейфы. А интерфейс между устройством и тканями необходимо тщательно контролировать, чтобы избежать фиброза или отторжения.
Все вопросы, которые по-прежнему потребуют большой междисциплинарной работы между учеными-материаловедами, электрохимиками, биомедицинскими инженерами и клиницистами. Но помещения интересные.
Имплантируемая батарея, которая «дышит»: к симбиотическому будущему
Что бы он подумал Луиджи Гальвани, пионер электрофизиологии, столкнулся с этим союзом химии и электричества в живых системах? Тот, кто, наблюдая за дрожащими от тока лягушачьими лапками, первым понял тесную связь между биологическими и электрическими явлениями. Возможно, увидев вживляемую батарейку, которая «дышит», оправившись от изумления, он самодовольно улыбнулся.
Или, возможно, будучи анатомом, он был бы поражен тем, как человеческое тело может вместить и привести в действие искусственное устройство. Подобно матери, кормящей своего ребенка, наши ткани обеспечивают кислород и стабильность этому электрохимическому существу в идеальном симбиозе органического и неорганического.
Не похоже ли это на постчеловеческую мечту киборгов и трансгуманистов о преодолении ограничений биологии с помощью технологий? Или это просто более древнее и более глубокое видение, корни которого лежат в совместной эволюции жизни и материи?
Ведь наши клетки — это крохотные батарейки, которые дышат кислородом и «перекачивают» энергию. Эта имплантируемая батарея доводит до крайности принцип, который всегда знала природа.
Конечно, еще многое предстоит сделать и обсудить. Этические, нормативные, социальные и экзистенциальные вопросы, требующие решения. Но одно можно сказать наверняка: благодаря этому нововведению граница между энергией и жизнью становится тоньше. И будущее имплантируемых медицинских устройств обретает новое, волнующее дыхание.
