Имплантируемый топливный элемент, вырабатывающий электричество из избытка глюкозы в крови.
При диабете 1 типа организм не вырабатывает инсулин. Это означает, что пациенты должны получать гормон извне, чтобы регулировать уровень сахара в крови. В настоящее время это в основном делается с помощью инсулиновых помп, которые прикрепляются непосредственно к телу. Эти устройства, а также другие медицинские приложения, такие как кардиостимуляторы, требуют надежного источника энергии, который в настоящее время удовлетворяется в основном за счет энергии от одноразовых или перезаряжаемых батарей.
Теперь группа исследователей во главе с Мартином Фуссенеггером из Департамента биосистемных наук и инженерии Швейцарской высшей технической школы Цюриха в Базеле воплотила в жизнь, казалось бы, футуристическую идею. Они разработали имплантируемый топливный элемент, который использует излишки сахара в крови (глюкозы) из тканей для выработки электрической энергии. Исследователи объединили топливный элемент с искусственными бета-ячейками, разработанными их группой несколько лет назад. Они производят инсулин одним нажатием кнопки и эффективно снижают уровень глюкозы в крови, как и их естественные образцы для подражания в поджелудочной железе. Они описывают свой топливный элемент в журнале Advanced Materials.
«Многие люди, особенно в промышленно развитых странах Запада, потребляют больше углеводов, чем им нужно в повседневной жизни », — объясняет Фуссенеггер. Это, добавляет он, приводит к ожирению, диабету и сердечно-сосудистым заболеваниям. «Это натолкнуло нас на идею использовать эту избыточную метаболическую энергию для производства электроэнергии для питания биомедицинских устройств», — говорит он.
Топливный элемент в формате чайного пакетика
В основе топливного элемента лежит анод (электрод) из наночастиц на основе меди, который команда Фуссенеггера создала специально для этого применения. Он состоит из наночастиц на основе меди и расщепляет глюкозу на глюконовую кислоту и протон для выработки электричества, которое приводит в движение электрическую цепь.
Завернутый в нетканый материал и покрытый альгинатом, продуктом из водорослей, одобренным для медицинского применения , топливный элемент напоминает небольшой чайный пакетик, который можно имплантировать под кожу. Альгинат впитывает жидкость организма и позволяет глюкозе проходить из ткани в топливный элемент внутри.
Диабетическая сеть с собственным источником питания
На втором этапе исследователи соединили топливный элемент с капсулой, содержащей искусственные бета-клетки. Их можно стимулировать к производству и секреции инсулина с помощью электрического тока или синего светодиодного света. Фуссенеггер и его коллеги уже тестировали такие дизайнерские клетки в статье, опубликованной в журнале Science в 2016 году.
Система сочетает в себе устойчивую выработку энергии и контролируемую подачу инсулина. Как только топливный элемент регистрирует избыток глюкозы, он начинает генерировать энергию. Затем эта электрическая энергия используется для стимуляции клеток к выработке и высвобождению инсулина в кровь. В результате уровень сахара в крови падает до нормального уровня. Как только он падает ниже определенного порогового значения , производство электричества и инсулина прекращается.
Электроэнергии , обеспечиваемой топливным элементом , достаточно не только для стимуляции клеток-конструкторов, но и для того, чтобы имплантированная система могла взаимодействовать с внешними устройствами, такими как смартфон. Это позволяет потенциальным пользователям настраивать систему через соответствующее приложение. Врач также может получить к нему удаленный доступ и внести коррективы. «Новая система автономно регулирует уровень инсулина и глюкозы в крови и может быть использована для лечения диабета в будущем», — говорит Фуссенеггер.
Существующая система является лишь прототипом. Хотя исследователи успешно протестировали его на мышах, им не удалось превратить его в товарный продукт. «Вывод такого устройства на рынок выходит далеко за рамки наших финансовых и человеческих ресурсов, — говорит Фуссенеггер. Для этого потребуется отраслевой партнер с соответствующими ресурсами и ноу-хау.
