Forscher vom MIT und Brigham and Women's Hospital haben ein kleines entworfen und gebaut Voltaikzelle wird durch Magensäure aufrechterhalten. Die Zelle erzeugt Strom aus der im Magen enthaltenen sauren Flüssigkeit.
Der von der Voltaikzelle erzeugte Strom reicht aus, um a kleiner Sensor oder ein Arzneimittelabgabegerät. Das Gerät kann aufgrund seiner Stromquelle über einen längeren Zeitraum im Magen-Darm-Trakt verbleiben. Dieser Durchbruch bietet eine sicherere und kostengünstigere Alternative zu der herkömmlichen StromversorgungsmethodeBatterien.
[Bildquelle : Naturbiomedizintechnik ]
„Wir müssen Wege finden, um diese einnehmbaren Systeme für eine lange Zeit mit Strom zu versorgen“, sagt Giovanni Traverso ein Forschungspartner am Koch-Institut für integrative Krebsforschung. „Wir sehen im GI-Trakt eine wirklich einzigartige Gelegenheit, neue Systeme für die Arzneimittelabgabe und -sensorik unterzubringen. Grundlegend für diese Systeme ist, wie sie mit Strom versorgt werden.“
Forschungsgruppe
Der Hauptautor des Forschungspapiers, das in der Ausgabe vom 6. Februar von erscheint Naturbiomedizintechnik ist MIT-Postdoc Phillip Nadeau. Giovanni Traverso, Gastroenterologe und biomedizinischer Ingenieur am Brigham and Women's Hospital, ist einer der führenden Autoren der Studie.
Andere Forscher einschließlich Robert Langer vom David H. Koch-Institutsprofessor am MIT; Anantha Chandrakasan, Leiterin des MIT-Instituts für Elektrotechnik und Informatik und Vannevar Bush-Professor für Elektrotechnik und Informatik.
Traverso und Langer sind erfahren mit einnehmbaren Geräten. Beide haben zuvor eine Reihe von Geräten gebaut und getestet. Die Geräte wurden verwendet, um physiologische Bedingungen wie Atemfrequenz, Herzfrequenz und Temperatur zu erfassen. Sie wurden auch verwendet, um Medikamente zur Behandlung von Krankheiten wie Malaria abzugeben.
Langer sagte: „Diese Arbeit könnte zu einer neuen Generation elektronischer Einnahmepillen führen, die eines Tages neue Methoden zur Überwachung der Gesundheit von Patienten und / oder zur Behandlung von Krankheiten ermöglichen könnten.“
Nadeau und Chandrakasan sind spezialisiert auf Entwicklung von Elektronik mit geringem Stromverbrauch. Traverso und Langer benötigten ihre Unterstützung, um eine alternative Stromquelle zu herkömmlichen Batterien zu finden. Verschluckbare Geräte werden normalerweise mit kleinen Batterien betrieben. Batterien stellen jedoch ein potenzielles Sicherheitsrisiko dar und entladen sich im Laufe der Zeit selbst.
Inspiration
Das Forschungsteam war inspiriert durch eine einfache Art von Voltaikzelle, die als Zitronenbatterie bekannt ist. Die Zitronenbatterie besteht aus zwei Elektroden, die in einer Zitrone stecken. Die Elektroden sind oft ein verzinkter Nagel und ein Kupferpfennig. Die Zitronensäure in der Zitrone führt einen kleinen elektrischen Strom zwischen den beiden Elektroden.
Die Voltaikzelle funktioniert ähnlich wie bei der Zitronenbatterie. Die Zelle besteht aus Zink- und Kupferelektroden, die an ihrer Oberfläche angebracht sind. Die Magensäure trägt die zwischen den Elektroden emittierten Ionen. Der Prozess versorgt den Spannungskreis und erzeugt genug Energie, um sowohl einen Temperatursensor als auch einen 900-Megahertz-Sender mit Strom zu versorgen.
Geräteprototyp
Der Prototyp des Geräts ist ungefähr 40 mm lang und 12 mm im Durchmesser. Die Forscher hoffen jedoch, das Gerät auf etwa ein Drittel der Größe verkleinern zu können. Sie planen dies durch den Entwurf und den Bau einer kundenspezifischen integrierten Schaltung. Diese wird den Energy Harvester, den Sender und das Gerät tragenein kleiner Mikroprozessor.
[Bildquelle : MIT von Diemut Strebe]
Testergebnisse
Das Gerät war getestet bei Schweinen, denen das Gerät zur Aufnahme gegeben wurde. Das Gerät brauchte sechs Tage, um durch den Verdauungstrakt des Schweins zu gelangen und in den Magen zu gelangen. Es konnte ausreichend Energie produzieren, um einen Temperatursensor und einen drahtlosen Sender mit Strom zu versorgen. Das Gerät sendeteDaten drahtlos alle zwölf Sekunden an die 2 Meter entfernte Basisstation.
Das Gerät war verfolgt in den Dünndarm, der im Vergleich zum Magen weniger sauer ist. Im Dünndarm erzeugte das Gerät ein Hundertstel der im Magen erzeugten Energie. Traverso sagte: „Dort gibt es immer noch Energie, die Sie über einen längeren Zeitraum ernten könntenZeit und Verwendung, um weniger häufige Informationspakete zu übertragen. ”
Zukünftige Entwicklung
„Eine große Herausforderung bei implantierbaren medizinischen Geräten besteht darin, die Energieerzeugung, -umwandlung, -speicherung und -nutzung zu steuern. Diese Arbeit ermöglicht es uns, neue medizinische Geräte vorzustellen, bei denen der Körper selbst zur Energieerzeugung beiträgt und ein vollständig autarkes System ermöglicht“, sagte Chandrakasan .
Forscher arbeiten daran Miniaturisierung das Gerät. Sobald sie dies erreicht haben, hoffen sie, weitere Arten von Sensoren hinzuzufügen. Darüber hinaus hoffen die Forscher, das Gerät für weiterentwickeln zu können. Anwendungen die eine langfristige Überwachung der Vitalfunktionen erfordern.
„Sie könnten eine Pille mit eigener Stromversorgung haben, die Ihre Vitalfunktionen für ein paar Wochen von innen überwacht, und Sie müssen nicht einmal darüber nachdenken. Sie sitzt nur da und führt Messungen durch und überträgt sie auf Ihr Telefon." sagte Nadeau .
Diese Geräte können auch verwendet werden für Arzneimittelabgabe in verschiedenen Situationen. Ein solcher Fall ist die Kontrolle des Blutdrucks eines Patienten. Um die besten Ergebnisse zu erzielen, müssen Ärzte manchmal die Dosierung des Arzneimittels variieren. In der Studie haben die Forscher gezeigt, dass sie die Kraft nutzen könnenvon der Voltaikzelle erzeugt, um von einem Goldfilm eingekapselte Arzneimittel freizusetzen.
Finanzierung
Mehrere Organisationen haben das Forschungsprojekt finanziert. Diese einschließen : Texas Instruments, das Kompetenzzentrum der Semiconductor Research Corporation für energieeffiziente Elektronik, die Hongkonger Innovations- und Technologiekommission, die National Institutes of Health und der Max-Planck-Forschungspreis.
"Dieses Papier berichtet über eine aufregende und bemerkenswert breite Sammlung von Fortschritten in der" einnehmbaren "Elektronik - von bioresorbierbaren Netzteilen bis hin zu energieeffizienter Elektronik, fortschrittlichen Sensoren / Aktoren und drahtlosen Kommunikationssystemen", sagte John Rogers Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Northwestern University, der das Projekt bewunderte. „Diese Systemtypen bieten ein großes Potenzial, um wichtige klinische Anforderungen zu erfüllen.“
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Geschrieben von Terry Berman