Számos olyan orvosi eszköz létezik, amelynek a működtetését az emberi testen belül sok-sok éven vagy évtizeden át kell fenntartani és eközben a betegek kényelme és biztonsága érdekében azt is meg kell oldani, hogy minél ritkábban legyen szükség az eszköz cseréje vagy javítása céljából újabb műtétekre. A berendezéseknek, például egy szívritmus szabályozására alkalmas pacemakernek létfontosságú feladata van a felhasználója egészsége, illetve életben tartása szempontjából, ezért rendkívül fontos a megbízhatóság és a hosszú élettartam, de jelenleg a benne alkalmazott, gyakran lítium-ion energiatárolók kimerülése miatt körülbelül tíz évente (ennél néhány évvel több vagy kevesebb is lehet) újabb invazív beavatkozásra van szükség.

Ezt a problémát kínai kutatók egy speciális akkumulátortechnológiával igyekeznek orvosolni,

amivel nincs szükség többé a berendezés cseréjére, vagy legalábbis jelentősen növelhető a felhasználási ideje és ami az egészségre nézve veszélytelen módon biztosítja az energiaellátást a beültetett eszközökben. Az akkumulátor nem a szokványos lítiummal, ezüst-cinkkel vagy más jól ismert akkumulátor-alapanyagokkal készül, hanem nátriummal és arannyal, a katód szerepét pedig részben a testben keringő oxigén tölti be. Az eszközben az anódot nátrium, gallium és ón ötvözete alkotja, a katód katalizátort nanoporózus arany - ezek az anyagok biokompatibilitásuk miatt nem hordoznak nagy kockázatot a testen belüli alkalmazás esetében. Ahhoz, hogy a folyamatos energiaellátáshoz szükséges oxigén be tudjon jutni az akkumulátorba, a kutatók nyílt struktúrát hoztak létre, így az eszköz körül lévő kapillárisok csatlakozni tudnak az akkumulátorhoz és eljuttatják a megfelelő mennyiségű oxigént a katódhoz. Abban, hogy az anódra potenciálisan káros hatással lévő testfolyadékok ne érjék el a nátriumötvözetet, egy ion-szelektív membrán segít, ez választja el a katódot és az anódot.

Az akkumulátor teszteléséhez egyelőre nem embereket, hanem patkányokat használtak, de a velük végzett kísérletekben az eszköz működőképesnek és hatékonynak bizonyult. Az állatok hátába, a bőr alá beültetett egység nem okozott gyulladást vagy más egészségügyi problémát a tesztalanyoknál és a kezdeti instabilitás után, mikor begyógyult a seb és körbenőtték az erek a berendezést, állandó jelleggel generálta az energiát. Az energiaellátás ebben az esetben “felesleges” volt, illetve csak a tesztelési célokat szolgálta, mivel az akkumulátor nem állított elő annyi energiát, amivel egy valódi implantátumot lehetne üzemeltetni, de azt sikerült bizonyítani, hogy az elképzelés in vivo módon is működik. A pásztázó elektronmikroszkóppal végzett megfigyelések szerint a beültetés után kettő, illetve négy héttel is nagyjából az elvárások szerint működött az akkumulátor, bár egy kevés testfolyadék bejutott az elektródába az idő folyamán.

Nem ez az első és nem ez az egyetlen beültethető akkumulátor, amelyet mostanában fejlesztettek, de a következtetések szerint a nátrium-oxigén akkumulátor hatalmas potenciállal rendelkezik a testbe ültethető eszközök energiaellátásának tekintetében, mivel nem csak az élő szervezettel kompatibilis és hosszú távon alkalmazható, hanem olcsón előállítható alternatívát kínál a jelenleg használatban lévő akkumulátortípusok mellett. Bár az oxigénnel működő eszköz nyilvánvalóan valamennyire fogyasztja a test oxigénkészleteit és ez hatással lehet a környező szövetekre is, de a kutatók szerint ez nem okoz gondot, sőt, adott esetben még előnnyé is válhat, mivel például rákos daganat közelébe helyezve kiéheztetheti a tumor szöveteit és segíthet a rák elpusztításában.

(Fotó: Liu et al/Chem)

Elkészült az emberi vérrel működő akkumulátor prototípusa Az emberi hemoglobin katalizátorként működik az új akkumulátorban, amely prototípusa egyelőre bár nem újratölthető, de 20-30 napig így is működik.