Novi izvor energije za medicinske implantate - šećer

Inženjeri sa  Instituta za tehnologiju u Masačusetsu (MIT) razvili su ćeliju koja radi na istom šećeru koji hrani energijom ljudske ćelije - glukozi. Poznato je da su šećeri izvor energije.

Ova glukozna goriva ćelija bi u budućnosti mogla da se koristi kao izvor energije za rad visoko efikasnih nervnih implantata, što bi moglo da pomogne nepokretnim pacijentima da ponovo pokreću ruke i noge.


Ova goriva ćelija izdvaja elektrone iz molekula glukoze i tako stvara malo električno kolo. Istraživači, predvođeni Rahulom Šarpeškarom, vanrednim profesorom mašinstva i računara na MIT-u, napravili su su gorivu ćeliju u silikonskom čipu, što omogućava da se integriše sa drugim kolima koji će biće potrebni za nervni implantat.

Glukozna gorivna ćelija

Ideja o glukoznoj gorivoj ćeliji nije nova: tokom 70-tih godina prošlog veka, naučnici su pokazali da mogu da pokreću rad pejsmejkera putem glukozne gorive ćelije, ali je ova ideja napuštena u korist litijum-jonskih baterija, koje su mogle da obezbede mnogo veću struju po jediničnoj oblasti nego glukozne gorive ćelije. Ove glukozne gorive ćelije takođe su koristile enzime za koje se pokazalo da su nepraktični za dugoročnu implantaciju u telu, pošto su posle nekog vremena prestajali da funkcionišu efikasno.

Nova karakteristika gorive ćelije sa MIT-a je ta da se dobija iz silikona, primenom iste tehnologije kao kod pravljenja poluprovodničkih elektronskih čipova. Ova goriva ćelija nema biološke komponente: sastoji se od katalizatora od platine koji izdvaja elektrone iz glukoze, podražavajući aktivnost ćelijskih enzima koji razlažu glukozu da bi se dobio ATP (adenozin-trifosfat), energetski pokretač ćelije. Za platinu je dokazano da je dugoročno biokompatibilna sa ljudskim organizmom. Za sada, goriva ćelija može da proizvede do nekoliko stotina mikrovata – dovoljno struje za rad klinički korisnih nervnih implantata veoma male potrošnje.

Proći će još nekoliko godina pre nego što osobe sa povredama kičmene moždine počnu da dobijaju takve implantate u okviru standardne zdravstvene nege, ali to su uređaji koje možete da zamislite kako se napajaju iz glukozne gorive ćelije, kaže Bendžamin Rapoport (Benjamin Rapoport), bivši Šarpeškarov student i glavni autor ove nove MIT studije. Rapoport je izračunao da bi, teoretski gledano, glukozna goriva ćelija mogla da dobija sav šećer iz cerebrospinalne tečnosti (CSF) koja razdvaja mozak od lobanje. U cerebrospinalnoj tečnosti ima veoma malo ćelija, tako da je skoro nemoguće da bi implantat postavljen u njoj izazvao imunološku reakciju. Ova tečnost takođe sadrži znatnu količinu glukoze koju organizam u suštini ne koristi. Pošto se samo mali deo napajanja dobija iz glukozne gorive ćelije, uticaj na funkciju mozga bi verovatno bila mala.
Tim istraživača sa Braun univerziteta, Opšte bolnice u Masačusetsu i drugih institucija nedavno je pokazao da nepokretni pacijenti mogu da koriste neuro-kompjuterski interfejs da pokreću robotsku ruku; ti implantati moraju biti uključeni u utičnicu u zidu.

Podražavanje biologije putem mikroelektronike

Šarpeškarova grupa je lider na polju elektronike veoma male potrošnje i prva je proizvela implantate koštanog puža uha i nervne implantate. Glukozna goriva ćelija, u kombinaciji sa takvom elektronikom veoma male potrošnje, može da omogući nervnim i drugim implantatima da se potpuno sami napajaju, kaže Šarperkar, autor knjige ,,Ultra Low Power Bioelectronics". Ova knjiga razmatra kako kombinacija veoma male potrošnje i napajanja energijom može da omogući uređaje sa samonapajanjem za medicinsku, biološku i portabilnu primenu.

Šarpeškarova grupa radi na svim aspektima nervnih implantata i nervne protetike, uključujući snimanje nervnih signala, stimulisanje nerava, dešifriranje nervnih signala i bežičnu komunikaciju sa implantatima. Jedan takav neuroprostetski uređaj napravljen je da beleži električnu aktivnost stotina neurona u motornom korteksu mozga, odgovornom za kontrolisanje pokreta. Ti podaci se pojačavaju i pretvaraju u digitalni signal kako bi računari – ili u slučaju Šarpeškarovog tima, mikročipovi implantirani u nerve – mogli da ih analiziraju i odrede koji obrasci moždane aktivnosti proizvode pokret.

Glukozna goriva ćelija dobijena je u saradnji sa Jakubom Kedžierskim (Jakub Kedzierski) iz Linkoln laboratorije na MIT-u. Ova saradnja sa Linkoln laboratorijom pomogla mi je da ostvarim dugoročni cilj – stvaranje bioelektronike koja se napaja glukozom, kaže Šarperškar. Iako je tek počeo da radi na uvođenju tehnologije veoma male potrošnje i medicinske tehnologije na tržište, on upozorava da su implantibilni medicinski uređaji koji se napajaju glukozom još godinama daleko.