Forskare vid MIT och Brigham and Women’s Hospital har konstruerat och demonstrerat en liten galvanisk cell som skördar energi från magsyra. Systemet skall kunna generera tillräckligt med energi för att driva små sensorer eller för tillförsel av läkemedel i mag-tarmkanalen under längre tidsperioder.
Forskare vid MIT och Brigham and Women’s Hospital har utformat och visat upp en liten, ”ätbar” galvanisk cell som energiförsörjs av sura vätskor i magen.
Foto: Diemut Strebe
Enligt forskarna kan den här typen av energisystem erbjuda ett säkrare och billigare alternativ till de traditionella batterier som nu används för att driva sådana här enheter.
– Vi måste komma på sätt att driva dessa ”intagbara” system under en lång tid. Vi ser mag-tarmkanalen som en riktigt unik möjlighet att hysa nya system för läkemedelstillförsel och avkänning. Grundläggande för dessa system är hur de drivs, säger Giovanni Traverso, forskare vid Koch Institute for Integrative Cancer Research.
Traverso, som också är utbildad gastroenterolog och biomedicinsk ingenjör vid Brigham and Women sjukhus, är en av de ledande författarna till studien. De andra är Robert Langer, the David H. Koch-institute professor vid MIT och Anantha Chandrakasan, chef för MIT:s Institution för systemteknik och datavetenskap samt Vannevar Bush professor i elektroteknik och datavetenskap. MIT postdoc Phillip Nadeau är huvudförfattare till papperet som publicerades i 6 februari-numret av ansedda Nature Biomedical Engineering.
Traverso och Langer har tidigare byggt och testat många ”intagbara” enheter som kan användas för att känna av fysiologiska förhållanden såsom temperatur, puls och andning eller för att leverera läkemedel mot sjukdomar som malaria.
– Detta arbete kan leda till en ny generation av elektroniska sväljbara kapslar som en dag skulle kunna göra det möjligt att på nya sätt övervaka patientens hälsa och/eller behandla sjukdomar, säger Langer.
Den här typen av kapslar drivs idag vanligtvis av små batterier, men konventionella batterier självurladdar över tid och utgör en möjlig säkerhetsrisk. För att övervinna dessa nackdelar har Langer och Traverso arbetat tillsammans med Nadeau och Chandrakasan, som specialiserat sig på att utveckla lågeffektselektronik.
Forskarna anslöt zink- och kopparelektroder på ytan av kapselsensorn. Zink avger joner i syran i magen och driver den galvaniska krets som genererar tillräckligt med energi för att driva en kommersiell temperatursensor och en 900 MHz-sändare. Vid tester på grisar tog det kapseln i genomsnitt sex dagar att färdas genom mag-tarmkanalen. När kapseln befann sig i magen producerades tillräckligt med energi för att driva en temperatursensor och trådlöst överföra data till en basstation över ett avstånd på 2 meter. Det med en signal som skickades var 12:e sekund. När kapseln förflyttade sig in i tunntarmen, som är mindre sur än magen, kunde cellen endast alstra omkring 1/100 av den energi som producerades i magsäcken.
– Men det finns fortfarande tillräckligt med energi som du kan skörda under en längre tid och använda för att sända mindre frekventa informationspaket, säger Traverso.
– Detta papper rapporterar om en spännande och anmärkningsvärt bred samling av framsteg inom” intagningsbar” elektronik – från bioresorberbar strömförsörjning till energieffektiv elektronik, avancerade sensorer/aktuatorer och trådlösa kommunikationssystem, säger John Rogers, professor i materialvetenskap och engineering vid Northwestern University, som inte varit inblandade i forskningen. Dessa typer av system har stora möjligheter att ta itu med viktiga kliniska behov.
Den nuvarande prototypen är cylinderformad och har en längd på 40 mm och en diameter på12 mm, men forskarna räknar med att kunna kapa kapsellängden till ungefär en tredjedel genom att bygga en anpassad integrerad krets som skulle kunna integrera energiskördaren, sändaren och en liten mikroprocessor.
– En stor utmaning inom implanterbara medicinska enheter innefattar hantering av energiproduktion, omvandling, lagring och utnyttjande. Detta arbete gör det möjligt för oss att föreställa oss nya medicinska enheter där kroppen själv bidrar till den energiproduktion som möjliggör ett helt självförsörjande system, säger Chandrakasan.
När forskarna miniatyriserat enheten räknar de med att kunna lägga till andra typer av sensorer och utveckla den för applikationer såsom långsiktig övervakning av vitala funktioner. Studien har också visat att det är möjligt att generera tillräckligt mycket energi för att frigöra läkemedel inkapslade i en guldfilm. Enligt forskarna kan detta vara användbart för situationer där läkarna måste prova olika doser av ett läkemedel, såsom läkemedel för att kontrollera blodtrycket.
Forskningen har finansierats av: Texas Instruments, Semiconductor Research Corporation Center of Excellence Energy Efficient Electronics, Hong Kong innovation and Technology Commission, the National Institutes of Health, och Max Planck Research Award.
