Batterien, die sich im Magen-Darm-Trakt sicher zersetzen, könnten schluckbare Geräte verbessern
Neue „bioresorbierbare" Batterien könnten Kapseln für die Medikamentenverabreichung, Sensorik und andere Anwendungen mit Energie versorgen
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Unter Verwendung von für den menschlichen Verzehr unbedenklichen Materialien haben Forscher des MIT winzige Batterien entwickelt, die zur Stromversorgung von verschluckbaren elektronischen Geräten dienen könnten. Solche Batterien könnten die Geräte für Patienten sicherer machen und die Umweltbelastung durch die Batterien nach deren Ausscheidung minimieren.
In einer neuen Studie zeigten die Forscher, dass die Batterien, die 1,84 Volt erzeugen, zwei verschiedene Arten von Geräten mit Strom versorgen können: einen RFID-Chip, der aus dem Magen Signale senden kann, und eine Kapsel, die einen schwachen elektrischen Strom erzeugt, der die Produktion von Ghrelin, dem Hungerhormon, anregt.
Dieser Batterietyp, der Elektroden aus Magnesium und Molybdäntrioxid enthält, könnte laut den Forschern auch in anderen verschluckbaren Geräten für sensorische oder therapeutische Anwendungen eingesetzt werden.
„Für viele der Systeme, die wir entwickeln, benötigen wir Energie, und wir versorgen das System auf unterschiedliche Weise mit Strom“, sagt Giovanni Traverso, Professor für Maschinenbau am MIT, Gastroenterologe am Brigham and Women’s Hospital und assoziiertes Mitglied des Broad Institute des MIT und der Harvard University. „Oft verwenden wir Batterien, daher lautete die Frage hier: Könnten wir eine bioresorbierbare Batterie entwickeln und diese dann in einer Reihe von Anwendungsbereichen einsetzen?“
Traverso ist der leitende Autor der Arbeit, die nun in „Nature Chemical Engineering“ erschienen ist. Der ehemalige MIT-Postdoktorand Mehmet Girayhan Say ist der Erstautor der Arbeit.
Biokompatible Batterien
In den letzten zehn Jahren haben Traverso und seine Mitarbeiter schluckbare Kapseln entwickelt, die Vitalparameter überwachen, verschiedene Medikamente verabreichen und Opioid-Überdosierungen erkennen können.
Nicht alle diese Geräte benötigen eine Stromquelle. Bei denjenigen, die darauf angewiesen sind, haben die Forscher die Geräte entweder über eine externe Quelle mit drahtloser Energieübertragung, durch Energiegewinnung aus dem Magen-Darm-Trakt oder mithilfe kleiner Knopfzellen mit Strom versorgt. Diese Batterien, die in der Regel Lithium, Silberoxid oder andere Metalle enthalten, könnten jedoch ein Sicherheitsrisiko darstellen, wenn die Schutzschicht der Batterie während der Passage durch den Magen-Darm-Trakt beschädigt würde.
Um eine sicherere Batterie zu entwickeln und die Systeme vollständig autark zu machen, sodass keine externe Stromversorgung benötigt wird, wandten sich die Forscher Metallen zu, die als Elektroden dienen können, aber in kleinen Mengen für den menschlichen Verzehr unbedenklich sind – Magnesium und Molybdäntrioxid.
„Diese Materialien gelten als relativ sicher. Das war der wichtigste Antrieb bei der Suche nach Materialien, die vom Menschen vertragen werden“, sagt Traverso.
Die Forscher verwendeten Magnesium für die Anode der Batterie und Molybdäntrioxid für die Kathode. Die Batterie enthält zudem einen Elektrolyten aus ionischem Flüssigkeitsgel, und das gesamte System ist bioresorbierbar, was bedeutet, dass es vollständig abgebaut und vom Körper resorbiert werden kann. Die Forscher entwickelten zwei verschiedene Versionen der Batterie, die für unterschiedliche Anwendungen genutzt werden können – eine Scheibe mit einem Durchmesser von 7,5 Millimetern und einen rechteckigen Stab mit einer Länge von 24 Millimetern.
Um zu testen, wie sich die Batterien im Magen-Darm-Trakt verhalten würden, setzten die Forscher sie zunächst einer stark sauren Lösung aus, die dem Magensaft ähnelt. Sie stellten fest, dass die Batterien etwa drei Tage lang normal funktionieren, danach lässt ihre Leistung langsam nach. Innerhalb weniger Wochen zersetzen sie sich vollständig.
Anschließend integrierten die Forscher die rechteckige Batterie in ein biologisch abbaubares Gerät, über das sie erstmals im Jahr 2023 berichteten und das dazu dient, einen schwachen elektrischen Strom an die Magenschleimhaut abzugeben. In früheren Arbeiten hatte Traversos Labor gezeigt, dass dieser Stromstoß endokrine Zellen im Magen zur Produktion von Ghrelin anregen könnte.
Die Stimulierung der Ghrelin-Ausschüttung könnte sich bei der Behandlung von Erkrankungen als nützlich erweisen, die mit Übelkeit oder Appetitlosigkeit einhergehen, wie beispielsweise Kachexie (Gewichtsverlust, der bei Patienten mit Krebs oder anderen chronischen Erkrankungen auftreten kann).
Die ursprüngliche Version dieses Geräts wurde mit zwei Silberoxid-Knopfzellen betrieben, ähnlich denen, die in von der FDA zugelassenen schluckbaren Geräten verwendet werden. Durch den Austausch dieser Batterien gegen die neuen Magnesium-Molybdänoxid-Batterien gelang es den Forschern, das Gerät – mit Ausnahme einer Leiterplatte – fast vollständig bioresorbierbar zu machen. Alle Komponenten, die nicht resorbiert werden, können den Magen-Darm-Trakt passieren und ausgeschieden werden.
In der neuen Studie zeigten die Forscher, dass die neue Batterie leistungsfähig genug war, um bis zu drei Tage lang eine kontinuierliche elektrische Stimulation zu erzeugen. Tierversuche zeigten, dass eine 20-minütige Stimulation im Magen den Ghrelinspiegel um etwa 50 Prozent steigern konnte.
„Was diese Arbeit so spannend macht, ist, dass wir zeigen konnten, dass eine bioresorbierbare Batterie nicht nur ein Konzept ist. Sie kann tatsächlich klinisch relevante Funktionen im Magen-Darm-Trakt mit Energie versorgen und sich anschließend einfach auflösen“, sagt Say.
Batteriebetriebene Kommunikation
Anschließend integrierten die Forscher die Batterie in ein RFID-Gerät, das sie entwickelt hatten, um Patienten bei der Einhaltung ihrer Einnahmepläne zu unterstützen. Diese Kapsel kann ihren Standort aus dem Magen-Darm-Trakt heraus über einen bioresorbierbaren RFID-Chip aus Molybdän und Zellulose übertragen.
Ein früheres RFID-System namens SAFARI, über das Traversos Labor im Januar berichtete, verwendete passive RFID-Tags, die mit zurückgewonnener Energie betrieben wurden, was die Kommunikationsreichweite einschränkte.
In der neuen Studie zeigten Tierversuche, dass RFID-Tags effektiv durch eine scheibenförmige, bioresorbierbare Batterie mit Strom versorgt werden können. Mit der neuen Batterie könnte das Gerät kontinuierlich aus dem Magen-Darm-Trakt senden und dabei eine größere Reichweite (bis zu 1,5 Meter) erzielen.
Die Forscher planen nun eine klinische Studie für das SAFARI-System, die voraussichtlich in etwa zwei Jahren beginnen wird. Solche Systeme könnten nicht nur sicherer für Patienten sein, sondern auch die Umweltbelastung durch Batterien verringern, die letztendlich in die Kanalisation gelangen würden.
„Die Vorteile sind zweierlei: zum einen die Bioabsorbierbarkeit, zum anderen das Potenzial, die Umweltbelastung zu minimieren, da die Materialien auch in der Umwelt abgebaut werden“, sagt Traverso.
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