Топливные элементы из глюкозы, которые могли бы эффективно использовать химическую энергию организма и превращать ее в электрический заряд, долгое время были святым граалем для ученых, поскольку такой потенциал был впервые изучен еще в 1968 году.
Но эти биотехнологические батарейки почти так же долго сталкивались с целым рядом проблем биосовместимости.
Теперь ученые из Швейцарии разработали новый имплантат на топливных элементах для лечения диабета 1 типа. Более того, он подключается к искусственным бета-клеткам, разработанным той же командой в 2016 году, которые могут успешно вырабатывать и высвобождать инсулин при срабатывании.
Новая система автономно регулирует уровни инсулина и глюкозы и может быть использована для лечения диабета в будущем.
При диабете 1 типа организм не может вырабатывать достаточное количество инсулина, поэтому необходимо вмешательство извне. Современные инсулиновые помпы и мониторы полагаются на внешние источники питания.
Сам топливный элемент, который напоминает пакетик чая размером чуть больше ногтя, покрыт нетканым материалом и альгинатом - продуктом, полученным из водорослей, широко используемым в биомедицине из-за его высокой степени биосовместимости. При имплантации под кожу альгинат впитывает жидкость организма, позволяя глюкозе проникать через поверхность и поступать в энергетический центр.
Ученые также разработали анод из наночастиц на основе меди, который расщепляет глюкозу на глюконовую кислоту и протон для генерации электрического тока. Многие люди, особенно в западных странах, потребляют больше углеводов, чем им нужно в повседневной жизни. Это натолкнуло ученых на идею использовать эту избыточную метаболическую энергию для производства электроэнергии для питания биомедицинских устройств.
Затем топливный элемент был соединен с капсулой инсулина, содержащей бета-клетки, которые могут быть запущены для выделения инсулина с помощью электрического тока от имплантата.
В целом, два компонента обеспечивают саморегулирующуюся схему. Когда топливный элемент, работающий на глюкозе, распознает избыток сахара в крови, он включается. Это стимулирует бета-клетки вырабатывать и секретировать инсулин. Когда уровень сахара в крови падает, срабатывает датчик порога в топливном элементе, он отключается, что, в свою очередь, останавливает выработку и высвобождение инсулина.
Эта автономная схема также может вырабатывать достаточно энергии для связи с таким устройством, как смартфон, что позволяет осуществлять мониторинг и настройку, и даже может обеспечить удаленный доступ для медицинского вмешательства.
Хотя биотехнология была успешно протестирована в лаборатории на животных, ученые надеются найти ресурсы для ее разработки от прототипа до стадии выхода на рынок.
Источник: Advanced Materials
