Микробная батарейка для питания проглатываемых медицинских устройств

Использующие миниатюрную камеру технологии контроля состояния кишечника в виде таблетки, которая после проглатывания проходит по желудочно-кишечному тракту и обеспечивает бесценные изображения труднодоступных участков, разрабатываются уже в течение нескольких последних лет. Хотя это решение элегантное по своей сути, найти способ надежного и безопасного электропитания устройства может быть непросто. Обычные батареи могут представлять риск для безопасности, а если устройство будет находиться в желудочно-кишечном тракте в течение некоторого времени, его заряд может закончиться. Другой вариант — использовать богатую питательными веществами жидкость в кишечнике для питания так называемой биобатареи.

Ученые из Бингемтонского университета (США) разработали микробный топливный элемент, который может питать проглатываемые устройства, такие как камеры, способные обнаруживать проблемы со здоровьем в желудочно-кишечном тракте. Топливный элемент содержит спящие эндоспоры Bacillus subtilis, которые прорастают и становятся активными только при попадании в кишечную жидкость, богатую питательными веществами. Другой контроль активности — pH-чувствительная мембрана, которая позволяет топливному элементу активизироваться только при достижении нейтрального pH, характерного для тонкого кишечника. Эта технология может стать альтернативой обычным батарейкам, которые могут представлять опасность для здоровья, если начнут протекать или повредятся в организме.

Статью об этом решении ученые опубликовали в журнале Advanced Energy Materials.

В этом новом решении богатая питательными веществами кишечная жидкость поступает в биобатарею, а затем находящиеся в ней бактерии начинают питаться ею, вырабатывая в процессе небольшое количество электроэнергии. Пока технология находится на стадии доказательства концепции, и исследователи протестировали ее, погрузив биобатарею в смоделированную кишечную жидкость, и показали, что батарея может вырабатывать ток плотностью 470 мкА см^-2 и мощность 98 мкВт см^-2, что позволяет предположить, что она потенциально способна питать энергией проглатываемые устройства.

Тем не менее предстоит еще много работы, прежде чем технология будет пригодна для тестирования на людях. Исследователи работают над увеличением количества электроэнергии, которое может производить система, чтобы оснастить устройства, работающие на биобатареях, более продвинутыми функциями.

При этом они уже создали систему, предназначенную для тонкого кишечника, используя материалы, чувствительные к рН. По словам разработчиков,

Чтобы заставить микротопливный элемент избирательно работать в тонком кишечнике, мы используем рН-чувствительную мембрану, которая требует определенных условий для активации. Если посмотреть на наш желудочно-кишечный тракт, то пищевод имеет нейтральный рН, такой же, как и тонкий кишечник, но время транзита составляет всего 10 секунд. Он не будет активироваться в этой области, и он никогда не будет работать в желудке, потому что в желудке очень низкий уровень pH. Он работает только в тонком кишечнике.