Le batterie che si degradano in modo sicuro nel tratto gastrointestinale potrebbero migliorare i dispositivi ingeribili
Realizzate con materiali “biorassorbibili”, le nuove batterie potrebbero alimentare capsule destinate alla somministrazione di farmaci, alla rilevazione e ad altre applicazioni
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Utilizzando materiali sicuri per il consumo umano, i ricercatori del MIT hanno creato delle minuscole batterie che potrebbero essere impiegate per alimentare dispositivi elettronici ingeribili. Tali batterie potrebbero rendere i dispositivi più sicuri per i pazienti e ridurre al minimo l’impatto ambientale delle batterie una volta espulse dall’organismo.
In un nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato che le batterie, che generano 1,84 volt, potrebbero alimentare due diversi tipi di dispositivi: un tag RFID in grado di trasmettere segnali dallo stomaco e una capsula che produce una piccola corrente elettrica che stimola la produzione di grelina, l’ormone della fame.
Questo tipo di batteria, che contiene elettrodi realizzati in magnesio e triossido di molibdeno, potrebbe essere impiegato anche in altri dispositivi ingeribili per applicazioni di rilevamento o terapeutiche, affermano i ricercatori.
«Per molti dei sistemi che stiamo sviluppando, abbiamo bisogno di energia e alimentiamo il sistema in modi diversi», afferma Giovanni Traverso, professore di ingegneria meccanica al MIT, gastroenterologo presso il Brigham and Women’s Hospital e membro associato del Broad Institute del MIT e di Harvard. «Spesso utilizziamo batterie, quindi la domanda era: potremmo sviluppare una batteria bioriassorbibile e poi applicarla a una vasta gamma di settori?»
Traverso è l’autore senior dell’articolo, pubblicato ora su *Nature Chemical Engineering*. L’ex ricercatore post-dottorato del MIT Mehmet Girayhan Say è l’autore principale dell’articolo.
Batterie biocompatibili
Negli ultimi dieci anni, Traverso e i suoi collaboratori hanno sviluppato capsule ingeribili in grado di monitorare i segni vitali, somministrare una varietà di farmaci e rilevare sovradosaggi da oppioidi.
Non tutti questi dispositivi richiedono una fonte di alimentazione. Per quelli che ne necessitano, i ricercatori hanno alimentato i dispositivi tramite una fonte esterna che trasmette energia in modalità wireless, hanno ricavato energia dal tratto gastrointestinale oppure hanno utilizzato piccole batterie a bottone. Tuttavia, tali batterie, che solitamente contengono litio, ossido d’argento o altri metalli, potrebbero rappresentare un rischio per la sicurezza qualora il rivestimento protettivo della batteria venisse danneggiato durante il passaggio attraverso il tratto gastrointestinale.
Per creare una batteria più sicura e consentire ai sistemi di essere completamente autonomi senza bisogno di alimentazione esterna, i ricercatori hanno optato per metalli in grado di fungere da elettrodi ma sicuri per il consumo umano in piccole quantità: il magnesio e il triossido di molibdeno.
«Questi materiali sono noti per essere relativamente sicuri. Questo è stato il fattore determinante: abbiamo pensato a materiali tollerabili dall’organismo umano», afferma Traverso.
I ricercatori hanno utilizzato il magnesio per creare l’anodo della batteria e il triossido di molibdeno per il catodo. La batteria contiene inoltre un elettrolita a base di gel liquido ionico e l’intero sistema è bioriassorbibile, il che significa che può essere completamente degradato e assorbito dall’organismo. I ricercatori hanno progettato due diverse versioni della batteria che potrebbero essere utilizzate per diverse applicazioni: un disco del diametro di 7,5 millimetri e una barra rettangolare lunga 24 millimetri.
Per verificare il comportamento delle batterie nel tratto gastrointestinale, i ricercatori le hanno dapprima esposte a una soluzione altamente acida simile al succo gastrico. Hanno riscontrato che le batterie funzionano normalmente per circa tre giorni, dopodiché le loro prestazioni iniziano a diminuire lentamente. Nel giro di poche settimane, si degradano completamente.
I ricercatori hanno quindi incorporato la batteria rettangolare in un dispositivo biodegradabile di cui avevano dato notizia per la prima volta nel 2023, progettato per erogare una piccola corrente elettrica alla mucosa dello stomaco. Nel loro lavoro precedente, il laboratorio di Traverso aveva dimostrato che questa scarica elettrica poteva stimolare le cellule endocrine dello stomaco a produrre grelina.
Stimolare la secrezione di grelina potrebbe rivelarsi utile per il trattamento di malattie che comportano nausea o perdita di appetito, come la cachessia (perdita di massa corporea che può verificarsi in pazienti affetti da cancro o altre malattie croniche).
La versione iniziale di quel dispositivo era alimentata da due batterie a bottone all’ossido d’argento, simili a quelle utilizzate nei dispositivi ingeribili approvati dalla FDA. Sostituendole con le nuove batterie all’ossido di magnesio-molibdeno, i ricercatori hanno reso quasi l’intero dispositivo — ad eccezione di un circuito stampato — bioriassorbibile. Qualsiasi componente non assorbito può essere espulso attraverso il tratto gastrointestinale.
Nel nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato che la nuova batteria era sufficientemente potente da generare una stimolazione elettrica continua per un massimo di tre giorni. I test sugli animali hanno dimostrato che 20 minuti di stimolazione all’interno dello stomaco potevano aumentare i livelli di grelina di circa il 50%.
«Ciò che rende questo lavoro entusiasmante è che siamo riusciti a dimostrare che una batteria bioriassorbibile non è solo un concetto. È effettivamente in grado di alimentare funzioni clinicamente rilevanti all’interno del tratto gastrointestinale per poi dissolversi semplicemente», afferma Say.
Comunicazione alimentata a batteria
I ricercatori hanno poi integrato la batteria in un dispositivo RFID, progettato per aiutare i pazienti a rispettare i propri programmi terapeutici. Questa capsula è in grado di trasmettere la propria posizione dall’interno del tratto gastrointestinale tramite un tag RFID bioriassorbibile realizzato in molibdeno e cellulosa.
Un precedente sistema RFID, noto come SAFARI e presentato dal laboratorio di Traverso a gennaio, utilizzava tag RFID passivi, alimentati da energia recuperata, il che ne limitava la portata di comunicazione.
Nel nuovo studio, i test sugli animali hanno dimostrato che i tag RFID potevano essere alimentati efficacemente da una batteria bioriassorbibile a forma di disco. Grazie alla nuova batteria, il dispositivo è in grado di trasmettere in modo continuo dall’apparato gastrointestinale, con una portata maggiore (fino a 1,5 metri).
I ricercatori stanno ora pianificando una sperimentazione clinica per il sistema SAFARI, che prevedono di avviare tra circa due anni. Tali sistemi non solo potrebbero essere più sicuri per i pazienti, ma ridurrebbero anche l’impatto ambientale delle batterie che finirebbero per essere espulse nel sistema fognario.
«I vantaggi sono duplici: da un lato, la capacità di essere bioriassorbibile, ma anche il potenziale di ridurre al minimo l’impatto ambientale, poiché i materiali si degraderanno anche nell’ambiente», afferma Traverso.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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