Создана съедобная батарейка из рисовой бумаги: она работает прямо в желудке и исчезает

Случайное проглатывание стандартной дисковой батарейки — одна из самых опасных ситуаций в неотложной педиатрии. Когда металлический корпус элемента питания прижимается к влажной слизистой оболочке, электрическая цепь замыкается непосредственно через живые ткани. В месте контакта запускается электролиз воды: электрический ток расщепляет молекулы жидкости, и у отрицательного полюса батарейки быстро накапливаются гидроксид-ионы.

В тканях возникает сильная щелочная среда с показателем кислотности от 12 до 13 единиц. Концентрированная щелочь разрушает белки клеточных мембран и вызывает омертвение слизистой оболочки. За два часа химическая реакция способна разрушить стенку пищевода на всю толщину, создавая прямую угрозу перфорации прилегающих крупных кровеносных сосудов.

При этом современной медицине необходимы автономные электронные приборы, работающие внутри желудочно-кишечного тракта. Диагностические капсулы с оптическими сенсорами, датчиками кислотности и микросхемами позволяют обследовать труднодоступные отделы кишечника без хирургических вмешательств и сложной эндоскопии.

Однако широкое применение таких приборов сдерживает проблема источников питания. Традиционные литиевые или щелочные элементы несут постоянный риск: если капсула задержится в организме из-за сужения кишечника или ее корпус треснет, начнется утечка токсичных веществ и химическое разрушение тканей.

Попытки использовать естественную среду желудка, где кислый желудочный сок служит электролитом между двумя разными металлами, дают слишком мало энергии — единицы микроватт. Этой мощности хватает лишь на редкие сигналы низкого напряжения, но недостаточно для устойчивой радиосвязи на расстоянии в несколько метров или для электрической стимуляции нервных окончаний.

Инженеры из Массачусетского технологического института совместно с учеными из Гарвардской медицинской школы создали химический источник тока, решивший эту проблему. Разработанная ими батарея генерирует стабильное рабочее напряжение, сохраняет функциональность в агрессивной среде желудка на протяжении нескольких суток, а затем полностью распадается на химические соединения, которые естественным образом усваиваются или выводятся организмом.

Результаты работы и данные испытаний опубликованы в журнале Nature Chemical Engineering.

Главные препятствия при создании биоразлагаемых батарей

Любой химический источник тока состоит из трех обязательных компонентов: двух разнородных электродов (анода и катода) и электролита — проводящей среды, в которой происходит перенос заряженных частиц.

Создание временной батареи, способной раствориться в теле, упирается в фундаментальную электрохимическую сложность. Чтобы ячейка выдавала достаточную удельную мощность, металл анода должен легко отдавать электроны в ходе окислительно-восстановительной реакции. Однако высокая химическая активность означает, что металл начинает интенсивно разрушаться в водной среде сам по себе, еще до того, как батарею подключат к внешней нагрузке. Этот процесс называют паразитным саморазрядом.

В ранних прототипах биодеградируемых систем часто использовали цинк. Этот металл относительно безопасен для организма, однако электрохимическая пара на основе цинка выдает напряжение разомкнутой цепи не выше 1,4 вольта. Большинство стандартных микроконтроллеров и интегральных схем требуют для стабильной работы от 1,5 до 3 вольт. Чтобы поднять напряжение цинковой ячейки, инженерам приходилось встраивать в корпус микросхемы повышающих преобразователей постоянного тока, что усложняло сборку и снижало общий коэффициент полезного действия.

Второй проблемой были связующие полимеры. Чтобы порошок активного вещества катода не осыпался, а держал форму и плотно контактировал с металлическим проводником, его смешивали с синтетическими полимерами, например с полилактид-гликолидом или ксантановой камедью.

Эти вещества состоят из крупных частиц. Электрод получался слишком толстым, обладал высоким внутренним электрическим сопротивлением и медленно разрушался ферментами организма: на его полную биодеградацию уходили многие месяцы.

Конструкция и химический состав растворимой батареи

Исследователи из Массачусетского технологического института полностью переработали архитектуру элемента питания. Они остановились на химической паре, состоящей из магниевого сплава и оксида молибдена.

Магниевый анод

Отрицательный электрод изготовили из медицинского магниевого сплава марки АЗ-31 толщиной 250 микрометров. Сплав содержит 96 процентов магния, 3 процента алюминия и 1 процент цинка.

Магний выбрали из-за его низкого стандартного электродного потенциала, который составляет минус 2,37 вольта относительно водородного электрода сравнения. Это позволяет получать высокое напряжение на выходе ячейки.

В водной среде магний вступает в химическую реакцию с водой: металл окисляется, образуя гидроксид магния и выделяя небольшое количество газообразного водорода. В физиологических жидкостях пластина такого сплава постепенно истончается со скоростью от 1,2 до 12 микрометров в сутки.

Катод на основе волокон целлюлозы

Положительный электрод изготовили в виде гибкого бумажного композита. Активным материалом послужил триоксид молибдена, а для обеспечения электрической проводимости к нему добавили очищенную углеродную сажу.

Вместо синтетических полимеров инженеры использовали растительные нановолокна целлюлозы. Это микроскопические древесные волокна диаметром в несколько нанометров, полученные механическим расщеплением растительного сырья.

Триоксид молибдена, углеродную сажу и целлюлозные волокна смешали в пропорции 7 к 2 к 1 в водной среде с добавлением глицерина. Смесь гомогенизировали в центробежном смесителе со скоростью две тысячи оборотов в минуту, распределили тонким слоем и высушили при температуре 42 градуса Цельсия.

В результате получилась пористая проводящая пленка толщиной 200 микрометров. Она прочно удерживается на металлической подложке — молибденовой фольге толщиной 15-25 микрометров, которая собирает электрический заряд. В пищеварительном тракте ферменты микрофлоры постепенно расщепляют волокна целлюлозы до обычных растворимых углеводов и глюкозы.

Электролит на основе ионной жидкости

Отказ от токсичных органических растворителей в пользу обычных солевых водных растворов ранее приводил к быстрому разрушению батарей: молекулы воды активно окисляли магниевый анод с выделением водорода.

Авторы работы синтезировали глубокую эвтектическую ионную жидкость. Они соединили два вещества естественного биологического происхождения: холинхлорид (соединение, родственное витаминам группы В) и молочную кислоту в равных молекулярных долях. Смесь нагрели до 65 градусов Цельсия, получив однородный жидкий состав. Затем полученную жидкость смешали с раствором желатина и глицерина. При остывании смесь образовала устойчивый проводящий гидрогель.

В таком электролите практически отсутствуют свободные несвязанные молекулы воды. Из-за этого реакция восстановления водорода на поверхности магния резко замедляется. Батарея перестает самопроизвольно терять накопленный заряд и не выделяет газов при хранении.

Двойная восковая изоляция

Желудочный сок представляет собой раствор соляной кислоты с ферментами, обладающий высокой химической агрессивностью. Чтобы кислота не разрушила гидрогель и электроды раньше времени, батарею покрыли оболочкой из природных восков.

В качестве первого слоя использовали очищенный пчелиный воск. Температура его плавления составляет около 60 градусов Цельсия. Это позволяет наносить защитный слой в расплавленном виде, не перегревая и не разрушая желатиновый гель электролита.

Второй наружный слой сформировали из растительного канделильского воска. Этот воск отличается повышенной твердостью и выраженными водоотталкивающими свойствами. Скорость его растворения в желудочном соке составляет всего около 10 микрометров в месяц, что обеспечивает защиту внутренних компонентов устройства на нужный срок.

Технические параметры и типоразмеры

Ученые создали батареи в двух геометрических форматах:

1. Круглый элемент: диск диаметром 7,5 миллиметра. Этот размер подобран так, чтобы источник тока точно входил в стандартную твердую желатиновую капсулу размера 000, длина которой составляет 26 миллиметров при внешнем диаметре 9,5 миллиметра.
2. Плоский элемент: пластина размером 8 на 24 миллиметра для приборов с повышенным потреблением тока.

Напряжение разомкнутой цепи новой батареи составило 1,84 вольта для плоской модификации и 1,77 вольта для круглой. Это превосходит показатели медицинских дисковых батарей на оксиде серебра (1,55 вольта) и разлагаемых цинковых элементов (до 1,4 вольта).

При постоянном разряде током плотностью 0,2 миллиампера на квадратный сантиметр батарея удерживала рабочее напряжение 1,6 вольта на протяжении суток. Суммарная емкость крупного образца составила 3,5 миллиампер-часа, чего достаточно для питания аналоговых датчиков, микроконтроллеров и маломощных радиопередатчиков.

Испытания в желудке крупных животных

Поведение химических источников тока в лабораторной посуде сильно отличается от их работы в живом организме, где действуют постоянные мышечные сокращения желудочных стенок, ферментативная активность и трение пищевых масс. Поэтому биологи провели тестирование на свиньях йоркширской породы массой от 50 до 70 килограммов. Их желудок по объему, строению и кислотности наиболее близок к желудку взрослого человека.

Для проверки сохранения рабочих характеристик батареи удерживали в желудке двумя методами:

• Капсула с раскрывающимися фиксаторами. Внутрь желатиновой оболочки поместили круглую батарею и упругие гибкие полоски из полимолочной кислоты. В желудке оболочка растворилась, полимерные элементы расправились в форме звезды, а их размах не позволил устройству пройти через привратник желудка в двенадцатиперстную кишку.
• Эндоскопическая фиксация. Плоские батареи закрепили на слизистой оболочке нижней трети желудка с помощью стандартных металлических клипс через рабочий канал эндоскопа.

Положение капсул и состояние их металлических элементов ежедневно проверяли с помощью рентгеновских снимков и эндоскопа. Через 24 и 72 часа часть батарей извлекли и замерили их электрические параметры.

Напряжение разомкнутой цепи постепенно снижалось из-за медленного проникновения желудочного сока через слой воска и коррозии магниевого анода, однако даже на третьи сутки источник тока стабильно выдавал 1,35 вольта и сохранял более 60 процентов первоначальной емкости.

Применение в медицине: беспроводной контроль и электростимуляция

Чтобы доказать практическую применимость источника питания, инженеры собрали на его основе два медицинских прибора разного назначения.

Радиочастотная метка контроля приема препаратов

Пациенты с хроническими инфекциями, такими как туберкулез или вирус иммунодефицита человека, нередко нарушают график приема лекарств, что приводит к развитию лекарственной устойчивости возбудителей.

Существующие цифровые таблетки с пассивными радиометками не содержат собственного источника энергии. Они питаются от электромагнитного поля внешней антенны, поэтому радиус их действия ограничен несколькими сантиметрами. Пациент вынужден постоянно носить на теле портативный приемник.

Инженеры создали радиочастотную метку с активным питанием от разработанной растворимой батареи. В капсулу размера 000 поместили:

• Дисковую батарею диаметром 7,5 миллиметра;
• Микросхему радиочастотной идентификации дециметрового диапазона (частота 915 мегагерц);
• Антенну из тонкой молибденовой проволоки;
• Соединительные дорожки из проводящей пасты на основе вольфрамовых частиц и воска.

Электроника заняла 1,37 кубического сантиметра. Это оставило 76 процентов полезного объема капсулы свободным для помещения необходимого лекарственного вещества.

Благодаря батарейному питанию капсула установила устойчивую связь со стационарной антенной-считывателем на расстоянии до 4 метров на открытом воздухе и до 1,5 метров при прохождении через ткани тела животного.

Система автоматически регистрирует сам факт проглатывания капсулы. Биологические ткани насыщены водой с электролитами и поглощают радиоволны существенно сильнее, чем воздух.

Пока капсула находилась снаружи, уровень мощности принимаемого сигнала находился в диапазоне от минус 40 до минус 50 децибел-милливатт. Как только животное проглотило капсулу и она оказалась в пищеводе, мощность сигнала упала ровно на 10 единиц — до минус 60 децибел-милливатт. Этот резкий скачок зафиксировала программа на приемнике.

Через несколько недель молибденовая антенна и батарея полностью разрушились. Единственная нерастворимая деталь — кремниевый микрочип площадью 18 квадратных миллиметров — вышла наружу вместе с естественным содержимым кишечника.

Растворимый электростимулятор желудка

Электростимуляция желудка слабыми импульсами тока применяется при гастропарезе — тяжелом нарушении эвакуаторной функции органа, часто развивающемся на фоне диабетической нейропатии. До сих пор для стимуляции требовалась лапароскопическая операция: хирурги через проколы в брюшной стенке пришивали электроды к мышечной оболочке желудка и выводили провода к генератору импульсов, вшитому под кожу.

Исследователи из MIT создали капсулу для временной электротерапии. В полимерном корпусе разместили:

• Печатную плату генератора импульсов с магнитным включателем;
• Разработанную магний-молибденовую батарею;
• Внешние молибденовые электроды диаметром 2 и 5 миллиметров, выведенные на наружную стенку капсулы.

Генератор вырабатывает прямоугольные импульсы длительностью 0,3 миллисекунды, частотой 14 герц и силой тока 0,5 миллиампера. От одного элемента питания стимулятор непрерывно генерирует импульсы трое суток, а при параллельном подключении двух батарей — до семи суток.

Капсулу с помощью эндоскопа ввели в желудок свиньи и прижали электроды к слизистой оболочке. Процедура электростимуляции продолжалась 20 минут. До начала стимуляции, во время нее и в течение 40 минут после завершения у животных регулярно брали образцы крови из вены для анализа на грелин — пептидный гормон, который вырабатывается клетками желудка и регулирует чувство голода и моторику пищеварительного тракта.

Лабораторный анализ показал, что электрическое воздействие на слизистую привело к быстрому повышению концентрации гормона: уровень грелина в крови вырос в среднем на 36,3 процента, а в ряде измерений прирост достиг 50 процентов от исходного уровня.

После вывода животных из эксперимента врачи взяли образцы тканей слизистой оболочки в зоне контакта с электродами и окрасили препараты гематоксилином и эозином для микроскопического анализа. Исследование показало отсутствие термических повреждений, язв или воспалительных процессов. Ткани желудка полностью сохранили нормальную клеточную структуру.

Токсикологическая безопасность и распад материалов

Безопасность компонентов оценивали на основе сравнения массы образующихся продуктов распада с допустимыми физиологическими нормами суточного потребления металлов человеком.

1. Магний. При полном гидролизе магниевого анода крупной батареи за 24 часа образуется не более 3,4 миллиграмма соединений магния — в основном свободных ионов магния и нерастворимого осадка гидроксида магния. Суточная физиологическая норма потребления магния с пищей для взрослого человека составляет 420 миллиграммов. Вещества, образующиеся при деградации анода, составляют менее одного процента этой нормы. Они всасываются в тонком кишечнике или выводятся почками.
2. Молибден. При окислении триоксида молибдена катода и токосъемной фольги образуются растворимые молибдат-ионы. Суточное поступление соединений молибдена из капсулы не превышает одного миллиграмма. Молибден относится к числу необходимых микроэлементов: он входит в состав активных центров ферментов, отвечающих за нейтрализацию токсичных продуктов распада серосодержащих аминокислот. Безопасный суточный порог потребления молибдена составляет 2 миллиграмма. Выделяемое батареей количество вдвое ниже этого порога, и излишки микроэлемента быстро выводятся мочевыделительной системой.

В тестах ускоренного растворения капсулы выдерживали в растворе соляной кислоты при температуре 75 градусов Цельсия (что ускоряет химические реакции примерно в 15 раз по сравнению с условиями человеческого тела при 37 градусах). Корпус и электрохимический блок потеряли целостность через 40 дней, а через 90 дней распались на микроскопические фрагменты. В живом организме этот процесс происходит быстрее за счет постоянного механического трения стенок органов.

Технические ограничения разработки

Исследователи выделяют два основных технических вопроса, которые предстоит решить перед началом клинических испытаний на людях:

• Частичное сохранение кремния. Сама батарея, корпус, электроды, электрическая проводка из молибдена и проводящие вольфрамовые пасты полностью растворяются. Однако кремниевые микросхемы стимулятора и радиочастотные чипы изготовлены по стандартной полупроводниковой технологии. Они имеют малый размер и без препятствий покидают пищеварительный тракт, но конечная цель инженеров — сделать систему полностью биорезорбируемой. Для этого понадобится перейти на полупроводниковые схемы на основе ультратонких кремниевых пленок толщиной менее ста нанометров. Такой кремний при контакте с водой гидролизуется до безопасной водорастворимой кремниевой кислоты.
• Влияние пищеварения на защитную оболочку. Эксперименты на животных проводили строго натощак. В реальных условиях пища увеличивает вязкость содержимого желудка, провоцирует выброс концентрированной кислоты и желчи, а также создает механическое абразивное воздействие на капсулу. Это может ускорить стирание защитного воскового слоя и сократить прогнозируемый срок службы батареи.

Результаты инженеров из MIT подтверждают: электронные приборы внутри человеческого тела могут работать без массивных и опасных металлических аккумуляторов. Сочетание магния, оксида молибдена, растительной наноцеллюлозы и натуральных восков позволяет создавать автономные медицинские капсулы, которые надежно выполняют диагностические или лечебные задачи на протяжении нескольких дней, а затем без вреда растворяются в пищеварительной системе.

Источник: Nature Chemical Engineering