Глюкозные топливные элементы, которые могут эффективно использовать химическую энергию организма и превращать ее в электрический заряд, долгое время были святым Граалем для ученых с тех пор, как такой потенциал был впервые изучен еще в 1968 году.
Но эти биотехнологические батареи почти так же долго сталкиваются с рядом проблем биосовместимости.
Теперь группа исследователей из ETH Zurich разработала новый имплантат топливных элементов для лечения диабета 1 типа. Более того, он подключается к искусственным бета-клеткам, разработанным той же командой в 2016 году, которые могут успешно производить и высвобождать инсулин при срабатывании.
«Новая система автономно регулирует уровни инсулина и глюкозы и может быть использована для лечения диабета в будущем», — Мартин Фуссенеггер из Департамента науки и инженерии биосистем Швейцарской высшей технической школы Цюриха.
При диабете 1 типа организм не может производить достаточное количество инсулина, поэтому необходимо вмешательство внешнего источника. Современные инсулиновые помпы и мониторы также зависят от внешних источников питания, таких как одноразовые батареи.
Сам топливный элемент, напоминающий чайный пакетик размером чуть больше ногтя, покрыт нетканым материалом и покрыт альгинатом — продуктом, полученным из водорослей, который широко используется в биомедицине из-за его высокой степени биосовместимости. При имплантации под кожу альгинат клетки впитывает жидкость организма, позволяя глюкозе проникать на поверхность и течь в энергетический центр.
Внутри клетки команда разработала анод из наночастиц на основе меди, который расщепляет глюкозу. в глюконовую кислоту и протон для генерации электрического тока.
«Многие люди, особенно в промышленно развитых странах Запада, потребляют больше углеводов, чем им нужно в повседневной жизни», — сказал Фуссенеггер. «Это дало нам идею использовать эту избыточную метаболическую энергию для производства электроэнергии для питания биомедицинских устройств.
Затем топливный элемент был соединен с инсулиновой капсулой с бета-клетками команды, которые можно было активировать для секреции инсулина. с помощью электрического тока от имплантата.
схема саморегуляции инсулина
Maity D, et al., Adv. Матер. 2023/ETH Zurich
В целом эти два компонента образуют саморегулирующуюся цепь. Когда топливный элемент, работающий на глюкозе, обнаруживает избыток сахара в крови, он включается. Затем это стимулирует бета-клетки к производству и секреции инсулина. Когда уровень сахара в крови падает, он отключает пороговый датчик в топливном элементе, поэтому он отключается, что, в свою очередь, останавливает выработку и высвобождение инсулина.
Эта самоподдерживающаяся схема также может производить достаточно энергии для связи с устройство, такое как смартфон, которое позволяет осуществлять мониторинг и настройку и даже имеет потенциал для удаленного доступа для медицинского вмешательства.
Хотя биотехнология была успешно протестирована на моделях мышей, исследователи надеются найти ресурсы для разработать его от прототипа до стадии выхода на рынок.
Исследование было опубликовано в журнале Advanced Materials.
