Khai thác axít trong dạ dày để cung cấp năng lượng cho cảm biến siêu nhỏ

Giovanni Traverso, đồng tác giả nghiên cứu cho rằng: "Chúng ta cần phải tìm ra những phương thức cung cấp năng lượng cho các hệ thống nằm trong bụng trong một thời gian dài. Chúng tôi thấy đường tiêu hóa mở ra cơ hội thực sự độc đáo để đặt các hệ thống mới phân phối thuốc và cảm biến. Và nền tảng cho các hệ thống này là làm sao để cung cấp năng lượng cho các thiết bị".

Nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Nature Biomedical Engineering.

Duy trì bởi axit

Trước đây, nhóm nghiên cứu đã chế tạo và thử nghiệm nhiều thiết bị đặt trong bụng để theo dõi các điều kiện sinh lý như nhiệt độ, nhịp tim và nhịp thở hoặc để cung cấp thuốc điều trị các bệnh như sốt rét. "Nghiên cứu này có thể dẫn đến sự ra đời của thuốc uống thế hệ mới, cho phép áp dụng các phương thức mới theo dõi sức khỏe bệnh nhân và/hoặc điều trị bệnh", Langer nói.

Các thiết bị này thường được cấp điện bởi pin nhỏ, nhưng pin thông thường tự xả theo thời gian và đặt ra vấn đề về sự an toàn. Để khắc phục những nhược điểm đó, nhóm nghiên cứu đã tập trung phát triển các thiết bị điện tử công suất thấp.

Nhóm nghiên cứu đã lấy cảm hứng từ một loại pin điện rất đơn giản được gọi là pin quả chanh, bao gồm 2 điện cực thường là một đinh mạ kẽm và một đồng xu bằng đồng - bị mắc kẹt trong một trái chanh. Axit citric trong chanh mang dòng điện nhỏ giữa hai điện cực.

Để mô phỏng chiến lược đó, các nhà nghiên cứu đã gắn các điện cực kẽm và đồng trên bề mặt của cảm biến nuốt vào bụng. Kẽm giải phóng các ion vào axit trong dạ dày để cấp năng lượng cho mạch điện, tạo ra đủ năng lượng cho một cảm biến nhiệt độ thương mại và bộ phát 900 MHz.

Trong các thử nghiệm ở lợn, các thiết bị này mất trung bình 6 ngày để di chuyển qua đường tiêu hóa. Mặc dù trong dạ dày, pin điện sản xuất đủ năng lượng cho một cảm biến nhiệt độ và truyền dữ liệu theo phương thức không dây đến một trạm gốc nằm cách 2m với tín hiệu được gửi cứ 12 giây 1 lần.

Khi thiết bị di chuyển vào ruột non có tính axit thấp hơn dạ dày, pin chỉ phát điện công suất bằng khoảng 1/100 so với trong dạ dày. "Nhưng vẫn có điện ở đó, bạn có thể khai thác trong thời gian dài hơn và sử dụng để truyền tải các gói thông tin ít thường xuyên hơn", Traverso nói.

Thu nhỏ

Mẫu thiết bị hiện nay là một hình trụ dài khoảng 40 mm và có đường kính 12 mm, nhưng các nhà nghiên cứu dự kiến sẽ tạo ra viên nang gần bằng 1/3 kích thước đó bằng cách xây dựng một mạch tích hợp tùy chỉnh có thể chứa máy thu năng lượng, máy phát và một bộ vi xử lý.

"Thách thức lớn trong các thiết bị y tế cấy ghép liên quan đến việc quản lý việc sản xuất, chuyển đổi, lưu trữ và sử dụng năng lượng. Nghiên cứu này cho phép chúng ta hình dung các thiết bị y tế mới, nơi chính cơ thể góp phần sản xuất năng lượng cho phép hệ thống tự duy trì", Chandrakasan nói.

Khi các nhà nghiên cứu thu nhỏ thiết bị, họ dự kiến sẽ bổ sung các loại cảm biến khác và phát triển nó cho các ứng dụng như theo dõi lâu dài các dấu hiệu sự sống.

Các thiết bị này cũng có thể được sử dụng để phân phối thuốc. Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã chứng minh họ có thể sử dụng điện năng do pin điện phát ra để giải phóng thuốc được bao gói bởi một màng bằng vàng. Điều này có thể hữu ích cho các tình huống trong đó các bác sĩ cần thử thuốc có nhiều liều lượng khác nhau như thuốc điều chỉnh huyết áp.

N.P.D-NASATI (Theo Sciencedaily )