Från pacemakers till neurostimulatorer, implanterbara medicinska apparater är beroende av batterier för att hålla hjärtat i slag och dämpa smärta. Men batterierna tar slutligen slut och kräver invasiva operationer för att ersättas.

För att möta dessa utmaningar har forskare i Kina tagit fram ett implanterbart batteri som drivs på syre i kroppen. Studien publicerades den 27 mars i tidskriften Chem , visar att hos råttor kan proof-of-concept-designen leverera stabil kraft och är kompatibel med biologiska system.

"När du tänker på det är syre källan till vårt liv", säger motsvarande författare Xizheng Liu, som är specialiserad på energimaterial och apparater vid Tianjin University of Technology. "Om vi ​​kan utnyttja den kontinuerliga tillförseln av syre i kroppen, kommer batterilivslängden inte att begränsas av de ändliga materialen i konventionella batterier."

För att bygga ett säkert och effektivt batteri gjorde forskarna sina elektroder av en natriumbaserad legering och nanoporöst guld, ett material med porer som är tusentals gånger mindre än ett hårstrå. Guld har varit känt för sin kompatibilitet med levande system, och natrium är ett väsentligt och allestädes närvarande element i människokroppen. Elektroderna genomgår kemiska reaktioner med syre i kroppen för att producera elektricitet. För att skydda batteriet inkapslade forskarna det i en porös polymerfilm som är mjuk och flexibel.

Forskarna implanterade sedan batteriet under huden på ryggen på råttor och mätte dess eleffekt. Två veckor senare fann de att batteriet kunde producera stabila spänningar mellan 1,3 V och 1,4 V, med en maximal effekttäthet på 2,6 µW/cm ² . Även om effekten är otillräcklig för att driva medicinsk utrustning, visar designen att det är möjligt att utnyttja syre i kroppen för energi.

Teamet utvärderade också inflammatoriska reaktioner, metaboliska förändringar och vävnadsregenerering runt batteriet. Råttorna visade ingen uppenbar inflammation. Biprodukter från batteriets kemiska reaktioner, inklusive natriumjoner, hydroxidjoner och låga nivåer av väteperoxid, metaboliserades lätt av kroppen och påverkade inte njurarna och levern. Råttorna läkte bra efter implantation, med håret på ryggen helt återväxt efter fyra veckor. Till forskarnas förvåning regenererades även blodkärl runt batteriet.

"Vi blev förbryllade över den instabila elektriciteten direkt efter implantationen", säger Liu. "Det visade sig att vi var tvungna att ge såret tid att läka, för att blodkärlen skulle regenereras runt batteriet och tillföra syre, innan batteriet kunde ge stabil elektricitet. Detta är ett överraskande och intressant fynd eftersom det betyder att batteriet kan hjälpa till att övervaka sårläkning."

Därefter planerar teamet att öka batteriets energileverans genom att utforska mer effektiva material för elektroderna och optimera batteriets struktur och design. Liu noterade också att batteriet är lätt att skala upp i produktionen och att välja kostnadseffektiva material kan sänka priset ytterligare. Teamets batteri kan också ha andra syften än att driva medicinsk utrustning.

"Eftersom tumörceller är känsliga för syrenivåer, kan implantering av detta syreförbrukande batteri runt det hjälpa till att svälta cancer. Det är också möjligt att omvandla batterienergin till värme för att döda cancerceller", säger Liu. "Från en ny energikälla till potentiella bioterapier, utsikterna för detta batteri är spännande."

Mer information: Implanterbart och biokompatibelt Na-O2-batteri, Chem (2024). DOI:10.1016/j.chempr.2024.02.012. www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(24)00074-3

Journalinformation: Chem

Tillhandahålls av Cell Press