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MIT工程师利用胃酸为微型传感器提供动力

MIT工程师利用胃酸为微型传感器提供动力

发布时间:2018-05-15    浏览量:18

麻省理工学院和布里格姆妇女医院的研究人员设计并展示了一种由胃酸性液体维持的小而易摄取的伏打细胞。

em使用可摄入电子设备,一组工程师利用胃酸为微型传感器供电。 / em

麻省理工学院和布里格姆妇女医院的研究人员设计并展示了一种由胃酸性液体维持的小伏打细胞。该系统可以产生足够的能量来运行可长时间驻留在胃肠道中的小型传感器或药物输送装置。

研究人员说,这种功率可以为传统电池提供更安全,更低成本的替代方案,而传统电池现在用于驱动这类设备。

“我们需要想出长期为这些可摄入系统提供动力的方法,”Koch综合癌症研究所的研究机构Giovanni Traverso说。 “我们认为胃肠道为提供药物输送和感测新系统提供了一个非常独特的机会,而这些系统的基础是它们的动力。”

Traverso是布莱根妇女医院的胃肠病学家和生物医学工程师,也是该研究的高级作者之一。其他人还有麻省理工学院David H. Koch研究所教授R​​obert Langer;和Anantha Chandrakasan,麻省理工学院电气工程和计算机科学系主任以及Vannevar Bush电气工程和计算机科学教授。麻省理工学院博士后Phillip Nadeau是该论文的主要作者,该论文出现在2月6日出版的Nature Biomedical Engineering / em上。

由酸持续

Traverso和Langer先前已经构建并测试了许多可用于感知生理状况(如温度,心率和呼吸速率)的可摄入设备,或者提供药物来治疗疟疾等疾病。

“这项工作可能会导致新一代的电子摄取药丸,有朝一日可以使监测病人健康和/或治疗疾病的新方法,”朗格说。

这些设备通常由小电池供电,但传统电池会随时间自动放电,并可能造成安全风险。为了克服这些缺点,Langer和Traverso与Nadeau和Chandrakasan合作,他专门研发低功耗电子产品。

研究团队从一种非常简单的伏特电池中获得灵感,这种电池被称为柠檬电池,它由两个电极组成 - 通常是一个镀锌的指甲和一个铜便士 - 粘在柠檬中。柠檬中的柠檬酸在两个电极之间传送小电流。

为了复制这一策略,研究人员将锌和铜电极连接到可摄取传感器的表面。锌将离子释放到胃中的酸中,为伏打电路供电,产生足够的能量为商用温度传感器和900兆赫发射器供电。

在猪的测试中,这些设备平均需要六天才能通过消化道。在胃中时,伏打电池产生足够的能量为温度传感器供电,并将数据无线传输到位于2米外的基站,每12秒发送一次信号。

一旦该装置进入小肠的酸性小于胃的情况下,该细胞仅产生其在胃中产生的约1/100。 “但那里仍然有能量,你可以在更长的时间内收获并用于传输频率较低的信息包,”Traverso说。

“这篇论文报告了一系列令人兴奋和广泛的'可摄取'电子学进展 - 从生物可吸收电源到高能效电子设备,先进的传感器/执行器以及无线通信系统”,John Rogers,材料科学与工程教授西北大学,谁没有参与研究。 “这些类型的系统有很大的潜力来解决重要的临床需求。”

微型化

目前该设备的原型是一个长约40毫米,直径12毫米的圆柱体,但研究人员预计,他们可以通过构建一个定制的集成电路,将能量收集器,发射器,和一个小型微处理器。

“植入式医疗设备面临的巨大挑战涉及管理能源生产,转换,存储和利用。这项工作使我们能够设想新的医疗设备,身体本身有助于能源生成,从而实现完全自我维持的系统,“Chandrakasan说。

一旦研究人员将设备小型化,他们预计会增加其他类型的传感器,并将其开发用于长期监测生命体征等应用。

“你可以有一个自动供电的药丸,可以在几周内监测你的生命体征,你甚至不需要考虑。它只是在那里进行测量并将它们传输到您的手机,“Nadeau说。

这种装置也可以用于药物输送。在这项研究中,研究人员证明他们可以使用伏打细胞产生的能量释放由金膜包裹的药物。这对医生需要尝试不同剂量的药物的情况很有用,例如控制血压的药物。

该研究得到了德州仪器,半导体研究公司能效电子卓越中心,香港创新与技术委员会,国家卫生研究院和马克斯普朗克研究奖的资助。

出版物:Phillip Nadeau等人,“可摄取装置的长时间能量收集”,Nature Biomedical Engineering 1,文章编号:0022(2017)doi:10.1038 / s41551-016-0022

来源:麻省理工学院新闻Anne Trafton

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