عملکرد باتری خوراکی در داخل بدن

به گزارش مجله خبری نگار،باتری جدید Mg–MoO۳ در Nature Chemical Engineering معرفی شده و به ولتاژ مدار باز اوج ۱٫۸۴ ولت رسیده است.

در خوک، باتری تا سه روز در معده عملکرد داشت و برای ردیابی بی‌سیم دارو و تحریک الکتریکی معده به کار رفت.

این فناوری هنوز پیش‌بالینی است؛ همه اجزا زیست‌جذب‌شونده نیستند و ایمنی و کارایی آن در انسان باید در مطالعات آینده مشخص شود.

باتری خوراکی چگونه می‌تواند داخل بدن کار کند؟

ایده اصلی ساده، اما از نظر مهندسی پیچیده است: اگر یک دستگاه پزشکی برای مدت کوتاهی در دستگاه گوارش فعالیت کند، چرا باتری آن هم پس از پایان کار در بدن باقی بماند؟ پژوهشگران با همین نگاه یک باتری زیست‌جذب‌شونده طراحی کرده‌اند که می‌تواند انرژی لازم را تأمین کند و سپس اجزای قابل‌جذب یا قابل‌تجزیه آن به‌تدریج از بین بروند.

مطالعه Mehmet Girayhan Say و همکارانش با عنوان Bioresorbable batteries for transient ingestible bioelectronics در ۲۱ سپتامبر ۲۰۲۶ در Nature Chemical Engineering منتشر شده است. باتری ساخته‌شده یک ساختار کاغذی از نوع Magnesium–Molybdenum Trioxide (Mg–MoO۳) دارد و در آزمایش‌ها به ولتاژ مدار باز اوج ۱٫۸۴ ولت رسید.

هدف این فناوری تأمین برق برای نسل جدیدی از Ingestible Medical Devices است؛ یعنی دستگاه‌هایی که بلعیده می‌شوند و برای تصویربرداری، پایش، انتقال دارو یا تحریک الکتریکی در دستگاه گوارش فعالیت می‌کنند.

باتری از چه موادی ساخته شده است؟

هسته باتری از سه بخش مهم تشکیل شده است: Magnesium، Molybdenum Trioxide و پوشش مومی. پژوهشگران برای آند از آلیاژ زیست‌جذب‌شونده Magnesium نوع AZ۳۱ استفاده کردند. این آلیاژ از حدود ۹۶ درصد Magnesium، سه درصد Aluminium و یک درصد Zinc تشکیل شده است.

کاتد باتری از یک کامپوزیت کاغذی حاوی Molybdenum Trioxide یا MoO۳ ساخته شده است. این بخش همچنین از Cellulose Nanofibrils به‌عنوان چسب و Activated Carbon استفاده می‌کند. نسبت جرمی مواد فعال کاتد MoO۳، چسب CNF و کربن فعال برابر ۷:۲:۱ گزارش شده است.

اما یک مشکل مهم وجود دارد: اگر باتری خیلی سریع با محیط اسیدی معده تماس پیدا کند، ممکن است پیش از انجام مأموریت خود تخریب شود. برای کنترل این روند، پژوهشگران باتری را با Beeswax و در برخی طراحی‌ها با Candelilla Wax پوشاندند. این پوشش مومی مانند یک لایه محافظ عمل می‌کند و تماس باتری با محیط معده را برای مدت لازم کنترل می‌کند.

داخل باتری فقط فلز و موم نیست

الکترولیت نیز بخشی مهم از طراحی است. پژوهشگران به‌جای اتکا به الکترولیت‌های متداول، یک Biodegradable Ionic Liquid طراحی کردند که از Choline Chloride و DL-Lactic Acid با نسبت مولی یک به یک ساخته شده بود. این ترکیب در یک ژل مبتنی بر Gelatin قرار گرفت.

در طراحی باتری، ضخامت آند Magnesium حدود ۲۵۰ میکرومتر، ضخامت کامپوزیت کاتد MoO۳ حدود ۲۰۰ میکرومتر و ضخامت پوشش Beeswax حدود ۳۰۰ میکرومتر بود. مقدار مواد نیز به‌گونه‌ای طراحی شد که در محدوده‌های توصیه‌شده مصرف روزانه قرار گیرد.

باتری در بدن چقدر انرژی تولید کرد؟

پژوهشگران برای بررسی عملکرد واقعی، باتری را در خوک آزمایش کردند. باتری‌های پوشیده‌شده با Beeswax توانستند تا سه روز در شرایط معده پایدار بمانند. در این مدت، باتری به‌تدریج افت ولتاژ و ظرفیت داشت؛ یعنی قرار نبود برای مدت نامحدود کار کند، بلکه از ابتدا برای یک بازه عملکردی موقت طراحی شده بود.

در باتری‌های کوچک‌تر مناسب کپسول استاندارد، ولتاژ مدار باز از حدود ۱٫۷ ولت در روز نخست به حدود ۱٫۳۵ ولت در روز سوم کاهش یافت. ظرفیت تخلیه نیز در همین دوره کاهش پیدا کرد. این روند بخشی از همان طراحی موقتی باتری است که قرار است پس از پایان مأموریت، تجزیه یا جذب شود.

باتری چه دستگاه‌هایی را روشن کرد؟

مهم‌ترین بخش مطالعه فقط ساخت باتری نبود. پژوهشگران نشان دادند که این منبع انرژی می‌تواند به دستگاه‌های واقعی قابل‌بلع متصل شود و در محیط دستگاه گوارش فعالیت کند.

برچسب BA-RFID برای ردیابی دارو: باتری به یک سامانه Radio-Frequency Identification متصل شد که امکان ارتباط بی‌سیم و ردیابی یک دستگاه قابل‌بلع را فراهم می‌کرد. هدف این کاربرد، کمک به بررسی پایبندی بیمار به مصرف دارو بود.

کپسول تحریک الکتریکی معده: باتری برای تأمین انرژی یک کپسول الکتریکی نیز استفاده شد که می‌توانست معده را تحریک کند.

ارتباط بی‌سیم: در آزمایش حیوانی، یک تگ بی‌سیم در مری توانست با گیرنده‌ای در فاصله ۱٫۵ متری ارتباط پایدار برقرار کند.

در سامانه تحریک الکتریکی، یک باتری می‌توانست تا سه روز انرژی مورد نیاز را تأمین کند. با اتصال دو باتری به‌صورت موازی، زمان عملکرد طراحی‌شده به حداکثر هفت روز می‌رسید.

کپسول تحریک معده نیز توانست تحریک الکتریکی را انجام دهد. در آزمایش گزارش‌شده توسط پژوهشگران، تحریک برای ۲۰ دقیقه انجام شد و آسیب بافتی قابل‌توجهی که به خود تحریک نسبت داده شود مشاهده نشد.

Ingestible Medical Device چیست؟

Ingestible Medical Device به دستگاه پزشکی‌ای گفته می‌شود که از طریق دهان وارد دستگاه گوارش می‌شود و می‌تواند برای مدت مشخصی تصویربرداری، اندازه‌گیری، ارتباط بی‌سیم، انتقال دارو یا تحریک بافت انجام دهد.

این دستگاه‌ها معمولاً باید هم‌زمان چند مسئله را حل کنند: اندازه مناسب برای بلع، مقاومت در برابر محیط شیمیایی دستگاه گوارش، مصرف انرژی پایین، ارتباط مطمئن با بیرون بدن و ایمنی زیستی. برخی از این دستگاه‌ها پس از انجام مأموریت از بدن دفع می‌شوند و برخی فناوری‌های جدید برای تجزیه یا جذب زیستی طراحی می‌شوند.

Capsule Endoscopy چه کاری انجام می‌دهد؟

Capsule Endoscopy یکی از شناخته‌شده‌ترین نمونه‌های دستگاه قابل‌بلع است. بیمار یک کپسول کوچک حاوی دوربین را می‌بلعد و کپسول هنگام عبور از دستگاه گوارش تصاویر ثبت می‌کند. این فناوری امکان مشاهده بخش‌هایی از دستگاه گوارش را بدون استفاده از آندوسکوپ لوله‌ای فراهم کرده است. سازمان FDA نیز برای سامانه‌های تصویربرداری کپسولی گوارشی الزامات ایمنی و اثربخشی مشخصی در نظر گرفته است.

Drug Delivery چه کاربردی دارد؟

در Drug Delivery، دستگاه قابل‌بلع می‌تواند دارو را در نقطه‌ای مشخص از دستگاه گوارش آزاد کند. برخی سامانه‌های پژوهشی حتی برای انتقال ترکیبات پیچیده‌تر مانند برخی دارو‌های زیستی طراحی شده‌اند. مزیت اصلی این رویکرد، امکان کنترل محل یا زمان آزادسازی دارو است.

Biosensor چیست؟

Biosensor حسگری است که می‌تواند یک سیگنال زیستی یا شیمیایی را اندازه‌گیری کند. در دستگاه‌های قابل‌بلع، حسگر‌ها می‌توانند برای بررسی ترکیبات و نشانگر‌های موجود در دستگاه گوارش، شرایط محیطی یا برخی پارامتر‌های فیزیولوژیک استفاده شوند. داده‌ها نیز می‌توانند به گیرنده‌ای خارج از بدن منتقل شوند.

Gastric Electrical Stimulation چیست؟

Gastric Electrical Stimulation یا GES به تحریک الکتریکی معده گفته می‌شود. در این رویکرد، پالس‌های الکتریکی به بافت هدف داده می‌شوند. پژوهشگران مطالعه جدید از یک کپسول قابل‌بلع برای نمایش امکان انجام چنین تحریک الکتریکی استفاده کردند. این کاربرد با هدف بررسی یک پلتفرم الکتروشیمیایی برای درمان‌های الکتریکی گوارشی مطرح شده است، نه به‌عنوان درمان آماده برای استفاده عمومی.

تفاوت Bioresorbable، Biodegradable و Excretable چیست؟

این سه اصطلاح شبیه به هم هستند، اما یک معنی ندارند. تفاوت آنها برای درک دقیق این باتری اهمیت زیادی دارد.

Bioresorbable: ماده‌ای است که در بدن تجزیه می‌شود و محصولات حاصل از آن می‌توانند توسط بدن پردازش و جذب شوند یا از مسیر‌های طبیعی حذف شوند؛ بنابراین تمرکز اصطلاح بر سرنوشت ماده در بدن است.

Biodegradable: اصطلاح گسترده‌تری است و به موادی اشاره می‌کند که تحت شرایط مناسب، از جمله فرایند‌های زیستی، شیمیایی یا آنزیمی، به مواد ساده‌تر تجزیه می‌شوند. هر ماده زیست‌تجزیه‌پذیر لزوماً به این معنی نیست که تمام محصولات آن توسط بدن جذب می‌شوند.

Excretable: ماده یا جزء دستگاهی است که بدن آن را جذب نمی‌کند بلکه آن را از مسیر‌های طبیعی دفع می‌کند؛ بنابراین «قابل دفع بودن» با «قابل جذب بودن» یکی نیست.

در ادبیات علمی، Bioresorbable معمولاً مفهوم دقیق‌تری نسبت به صرفاً Biodegradable دارد. یک ماده می‌تواند در بدن تجزیه شود، اما محصولات آن به‌جای جذب شدن، از بدن دفع شوند. پژوهش‌های مرتبط با پلیمر‌های زیست‌جذب‌شونده نیز بر همین تفاوت میان Bioresorbable، Biodegradable و Excretable تأکید کرده‌اند.

آیا تمام باتری بعد از ورود به بدن جذب می‌شود؟

خیر. این یکی از مهم‌ترین نکات مطالعه است. اگرچه بخش مهمی از طراحی باتری بر اساس مواد زیست‌جذب‌شونده یا زیست‌تجزیه‌پذیر انجام شده است، اما تمام اجزای سامانه هنوز کاملاً زیست‌جذب‌شونده نیستند.

برای نمونه، مدار چاپی یا PCB مورد استفاده برای تحریک الکتریکی هنوز زیست‌تجزیه‌پذیر نبود و در نهایت باید از مسیر طبیعی دستگاه گوارش دفع می‌شد. خود پژوهشگران نیز توسعه یک مدار کاملاً زیست‌جذب‌شونده را یکی از گام‌های مهندسی آینده معرفی کرده‌اند؛ بنابراین عنوان «باتری خوراکی» نباید به این معنا برداشت شود که یک قرص حاوی باتری را می‌توان مانند مکمل غذایی مصرف کرد. منظور از این فناوری، یک منبع انرژی برای دستگاه پزشکی قابل‌بلع است که برای عملکرد موقت در بدن طراحی شده است.

محدودیت‌های مهم مطالعه چیست؟

نتایج پژوهش امیدوارکننده‌اند، اما فاصله قابل‌توجهی میان یک آزمایش پیش‌بالینی و استفاده پزشکی در انسان وجود دارد.

آزمایش روی خوک انجام شد: عملکرد داخل بدن در مدل‌های حیوانی خوک بررسی شد و نتایج به‌تنهایی اثربخشی یا ایمنی در انسان را ثابت نمی‌کنند.

تعداد حیوانات محدود بود: خود پژوهشگران تأکید کرده‌اند که آزمایش‌های درون‌بدنی با تعداد محدودی از حیوانات انجام شده است.

همه اجزا هنوز قابل جذب نیستند: به‌ویژه مدار تحریک الکتریکی هنوز زیست‌تجزیه‌پذیر نیست و می‌تواند پس از عبور از دستگاه گوارش دفع شود.

شرایط آزمایش با زندگی واقعی یکسان نیست: آزمایش‌های حیوانی در شرایط مشخصی انجام شدند و پژوهش‌های بعدی باید شرایطی مانند حالت تغذیه‌شده، تغییرات pH، مخاط و تغییرات حرکتی دستگاه گوارش را بهتر بررسی کنند.

ایمنی و کارایی انسانی هنوز مشخص نیست: برای استفاده بالینی، مطالعات آینده باید ایمنی، عملکرد، سرنوشت تمام اجزا و اثربخشی دستگاه را در انسان بررسی کنند.

در نتیجه، این پژوهش را باید یک اثبات امکان‌پذیری پیش‌بالینی دانست، نه معرفی یک درمان آماده برای بیماران. مقاله نیز توسعه بیشتر سامانه و انجام مطالعات لازم پیش از ترجمه بالینی را ضروری می‌داند.

چرا این باتری اهمیت دارد؟

چالش اصلی دستگاه‌های پزشکی قابل‌بلع فقط کوچک کردن مدار الکترونیکی نیست. هرچه دستگاه پیچیده‌تر شود، به منبع انرژی مطمئن‌تری نیاز دارد. باتری‌های معمولی می‌توانند مواد غیرقابل‌تجزیه داشته باشند و در صورت آسیب یا باقی‌ماندن طولانی‌مدت در بدن، مشکلاتی ایجاد کنند.

پژوهش جدید تلاش می‌کند این مسئله را با ترکیب عملکرد الکتریکی و تجزیه یا جذب زیستی کنترل‌شده حل کند. باتری باید به‌اندازه کافی دوام داشته باشد تا دستگاه مأموریت خود را انجام دهد، اما پس از پایان این مأموریت نیز قرار نیست مانند یک باتری معمولی برای مدت طولانی در دستگاه گوارش باقی بماند.

سؤالات متداول

باتری خوراکی چیست؟

باتری خوراکی در این پژوهش یک باتری زیست‌جذب‌شونده و قابل‌بلع است که برای تأمین انرژی موقت دستگاه‌های پزشکی داخل دستگاه گوارش طراحی شده است.

باتری از چه موادی ساخته شده است؟

آند آن از آلیاژ Magnesium ساخته شده و کاتد آن از Molybdenum Trioxide تشکیل شده است. Beeswax نیز برای محافظت و کنترل تماس باتری با محیط معده به کار رفته است.

این باتری در بدن انسان آزمایش شده است؟

خیر. مطالعه مورد بحث در مدل حیوانی خوک انجام شده است و هنوز برای نتیجه‌گیری درباره ایمنی یا کارایی آن در انسان به کارآزمایی‌های آینده نیاز است.

باتری چند روز کار می‌کند؟

در آزمایش‌های درون‌بدنی، باتری در معده خوک تا سه روز عملکرد خود را حفظ کرد. در یک طراحی با دو باتری موازی، سامانه تحریک الکتریکی برای حداکثر هفت روز قابلیت عملکرد طراحی‌شده داشت.

آیا تمام باتری پس از ورود به بدن جذب می‌شود؟

خیر. همه اجزای سامانه هنوز زیست‌جذب‌شونده نیستند. برای مثال PCB مورد استفاده در سامانه تحریک الکتریکی زیست‌تجزیه‌پذیر نبود و می‌توانست از بدن دفع شود.

جمع‌بندی

باتری خوراکی معرفی‌شده در Nature Chemical Engineering نشان می‌دهد که می‌توان یک منبع انرژی موقت را برای دستگاه‌های پزشکی قابل‌بلع طراحی کرد؛ منبعی که با استفاده از Magnesium، Molybdenum Trioxide و پوشش‌های مومی، تا چند روز در محیط دستگاه گوارش فعال بماند. آزمایش روی خوک نشان داد این فناوری می‌تواند دستگاه‌هایی برای ردیابی دارو و تحریک الکتریکی معده را تغذیه کند.

با این حال، فاصله میان این نتیجه پیش‌بالینی و یک فناوری قابل استفاده برای بیماران همچنان قابل‌توجه است. زیست‌جذب‌پذیری کامل تمام اجزا، عملکرد در شرایط متنوع بدن و مهم‌تر از همه ایمنی و کارایی در انسان باید در مطالعات آینده بررسی شود؛ بنابراین فعلاً باید این فناوری را یک گام پژوهشی مهم در مسیر ساخت دستگاه‌های پزشکی موقت و قابل‌بلع دانست، نه یک درمان آماده برای استفاده بالینی. 

منبع:فوت و فن