Биологические имплантаты будут растворяться внутри тела

Электронные устройства для постоянного слежения за состоянием здоровья пациента весьма востребованы современной медициной. Такие имплантаты могут быть изготовлены из полностью безопасных материалов и сигнализируют о скачках уровня сахара, давления или появлении иммунной реакции на принимаемые лекарства.

Несмотря на долгосрочную производительность, и такие устройства когда-нибудь необходимо будет утилизировать. Очевидное решение проблемы — хирургическое удаление имплантата — явно не лучшее, так как любое подобное вмешательство будет болезненным, а иногда и опасным.

Поэтому многие группы биоинженеров по всему миру занимаются разработкой встраиваемых в организм устройств, которые самостоятельно могли бы растворяться и выводится из организма по истечении срока действия.

"Создание таких имплантатов — большой шаг вперёд. До недавнего времени прогресса в области разработок растворяемых биомедицинских устройств не наблюдалось", — говорит соавтор нового исследования Джеффри Боренштейн (Jeffrey Borenstein) из Лаборатории Дрейпера в Массачусетсе, США.

В 2012 году коллега Боренштейна материаловед Джон Роджерс (John Rogers) из университета Иллинойса и его группа представили серию биоразлагаемых кремниевых чипов, способных контролировать температуру или механическую деформацию, передавать информацию устройствам вне организма (на компьютер или смартфон, к примеру) и даже разогревать ткани организма для предотвращения инфицирования. Некоторые из этих чипов работали на индукционных катушках, обеспечивавших беспроводное питание от внешних источников.

Но беспроводная передача энергии не слишком подходит подкожным имплантатам, которые порой необходимо разместить в глубоких слоях тканей или даже под костью. К тому же, компоненты для таких устройств очень сложны и громоздки. Изучив все эти проблемы, Роджерс и его команда создали в дополнение к уже существующим устройствам полностью биоразлагаемые аккумуляторы оптимальной конфигурации.

В качестве анодов инженеры использовали магниевую фольгу, а для катодов — пластину из железа, молибдена или вольфрама. Все эти металлы будут медленно растворяться в организме, а их ионы в низких концентрациях являются биосовместимыми.

Электролит между двумя электродами представляет собой натрий-фосфатный буфер. Все эти компоненты упакованы в также биоразлагаемый полимер полиангидрид.

Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials, сила тока устройства может варьироваться в зависимости от используемого в катоде металла. К примеру, ячейка площадью в один квадратный сантиметр с магниевым анодом толщиной 50 микрометров и молибденовым катодом толщиной 8 микрометров дают 2,4 миллиампера.

После растворения такой аккумулятор выпускает менее 9 миллиграммов магния, что примерно вдвое больше, чем магниевый стент для коронарной артерии, который был успешно протестирован в клинических испытаниях. По словам Роджерса, такие концентрации не могут вызвать проблем.

Пока что все версии биоразлагаемого устройства способны функционировать в организме на протяжении суток, но инженеры уже работают над увеличением потенциального срока производительности. Они также надеются увеличить плотность энергии за счёт модификации поверхности магниевой фольги. Большая площадь поверхности повысит реакционную способность материала. По предварительным оценкам авторов исследования, батарея площадью 0,25 квадратных сантиметров и толщиной всего один микрометр вполне способна питать подкожный датчик в течение дня.

Отметим, что разработка Роджерса является потенциальным конкурентом проекту Кристофера Беттингера (Christopher Bettinger): последний для максимальной безопасности биоаккумулятора использовал для создания анодов кожный пигмент меланин. Тем не менее, сравнительный анализ показал, что батареи Роджерса с магниевыми анодами настолько же безопасны, но при этом имеют большую плотность энергии и более длительный срок службы, а значит, выигрывают.

Боренштейн добавляет, что любые подобные устройства могут быть использованы не только для биомедицинского мониторинга и доставки лекарств, но и, к примеру, в качестве сенсоров для постоянной оценки состояния окружающей среды. Разлагаемые датчики можно поместить в океан, где они будут следить за степенью загрязнения, а по окончании срока службы растворятся почти без следа.