Les scientifiques ont construit une pile en papier avalable qui peut alimenter des dispositifs médicaux à l’intérieur du corps, puis se décomposer progressivement une fois son travail terminé.
Jusqu’à présent, la batterie a été testée uniquement sur des porcs, chez lesquels elle a alimenté des appareils pendant trois jours maximum. Si elle s’avère sûre et efficace chez l’homme, la batterie pourrait un jour alimenter des dispositifs temporaires à l’intérieur de l’intestin tout en évitant une intervention chirurgicale pour récupérer une batterie conventionnelle du corps lorsque l’appareil n’est plus nécessaire.
« Je suis très enthousiasmé par ce travail », a déclaré Reza Ghodssiprofesseur de génie électrique et informatique à l’Université du Maryland qui n’a pas participé à l’étude. « La batterie est un composant qui occupe la majeure partie de l’espace dans un appareil ingérable, donc tout ce qui peut fournir la puissance requise tout en réduisant la taille de la capsule est très prometteur. »
Parmi les exemples de dispositifs médicaux ingérables figurent ceux qui détectent les saignements, distribuent des médicaments ou stimulent des tissus ou des organes spécifiques.
Comment fonctionne la batterie ?
Les piles conventionnelles utilisées dans les appareils ingérables ne sont pas seulement volumineuses ; ils doivent également rester scellés pour empêcher leurs matériaux internes de s’infiltrer dans les tissus environnants et de causer des dommages. La nouvelle batterie, décrite lundi 21 septembre dans le journal Génie chimique naturelest fabriqué à partir de matériaux qui se dissolvent progressivement dans le tractus gastro-intestinal acide et peuvent ensuite être absorbés en toute sécurité sans laisser de fragments nocifs ou de sous-produits toxiques.
La batterie est construite en couches. Un alliage de magnésium forme l’anode (la borne négative de la batterie), tandis que la cathode (la borne positive) contient du trioxyde de molybdène et du charbon actif. Entre les deux côtés se trouve un électrolyte biodégradable qui permet à la batterie de générer du courant électrique. Ces matériaux ont été utilisés dans prototypes de batteries biodégradables antérieurs pour l’électronique médicale et portable temporaire.
La nouvelle conception les adapte dans une batterie mince et poreuse semblable à du papier utilisant des nanofibrilles de cellulose comme liant, alors que les versions précédentes utilisaient des liants plus gros. « La structure du papier améliore la résistance de la batterie et contrôle sa dégradation tout en lui permettant de produire de l’électricité », co-auteur de l’étude Giovanni Traversodirecteur du Laboratoire d’ingénierie translationnelle du MIT, a déclaré à Live Science dans un e-mail.
Pour empêcher la batterie de se décomposer trop rapidement dans l’acide gastrique, les chercheurs l’ont recouverte de cire d’abeille. Certaines versions reçoivent également une couche de cire de candelilla, dérivée de l’arbuste du désert. Euphorbe antisyphilitique — pour une protection plus longue.
« Le revêtement de cire n’est pas un simple emballage », a déclaré Traverso. « C’est un élément de conception clé qui contrôle la durée de vie fonctionnelle. »
L’équipe a fabriqué deux versions de la batterie, dont une suffisamment petite pour tenir dans une capsule de gélatine standard. Lors de tests en laboratoire, il a produit environ 1,77 volts et pouvait stocker et fournir 2 milliampères-heures par centimètre carré, ce qui est une capacité suffisante pour alimenter des appareils électroniques de faible consommation.
Une version plus grande de la batterie produisait environ 1,84 volts et avait une capacité maximale de 3,5 milliampères-heures. Cela pourrait alimenter des appareils nécessitant un peu plus de puissance. Cependant, la capacité de la batterie est encore faible, a noté Ghodssi. « Ils doivent disposer d’une capacité d’un ordre de grandeur supérieure pour que cette technologie soit encore plus prometteuse », a-t-il déclaré.
Tester la batterie à l’intérieur du corps
Les chercheurs ont placé les prototypes de batterie dans des capsules imprimées en 3D et les ont administrés aux porcs par voie orale à l’aide d’un endoscope – essentiellement un long tube. Les deux versions de la batterie ont fonctionné jusqu’à trois jours, bien que leur tension et leur capacité aient chuté à mesure qu’elles se dégradaient progressivement. La tension de la plus grande batterie est passée d’environ 1,8 volts à 1,6 volts après un jour, puis à environ 1,45 volts le troisième jour, tandis que la plus petite batterie est passée de 1,7 volts à 1,35 volts au cours de la même période.
Il est assez impressionnant que la batterie puisse fonctionner de manière stable et fiable alors que l’ensemble de l’appareil traverse le système GI en mode gros animal.
John Rogers, scientifique des matériaux à l’Université Northwestern
L’équipe a utilisé les batteries pour alimenter deux types de dispositifs médicaux à l’intérieur des porcs. La plus petite batterie alimentait une étiquette RFID (identification par radiofréquence) sans fil. Capteurs basés sur RFID similaires ont déjà été testés chez des humains, mais celui utilisé dans cette étude était expérimental. Les chercheurs l’ont positionné dans l’œsophage, où l’étiquette communiquait avec un récepteur jusqu’à 1,5 mètre de distance et permettait aux chercheurs de détecter le moment où les porcs avalaient un médicament.
La plus grosse batterie alimentait un capsule à avaler qui stimule électriquement l’estomac; cela a augmenté les niveaux de ghréline, une hormone stimulant la faim, dans le sang sans causer de dommages visibles aux tissus au niveau du site de stimulation. Stimulation électrique gastrique est déjà utilisé chez les personnes souffrant de gastroparésie sévère, une condition qui ralentit la vitesse à laquelle l’estomac se vide ; la capsule alimentée par batterie testée dans cette étude est expérimentale.
« Il est assez impressionnant que la batterie puisse fonctionner de manière stable et fiable alors que l’ensemble du dispositif traverse le système gastro-intestinal chez un grand modèle animal », a déclaré John Rogerspionnier de la bioélectronique et scientifique des matériaux à l’Université Northwestern qui n’a pas participé à l’étude.
La batterie et ses composants biodégradables sont tombés en panne, mais pas le circuit électronique utilisé pour l’expérience de stimulation de l’estomac ; au lieu de cela, les porcs l’ont transmis naturellement. « Rendre chaque partie du dispositif biorésorbable pourrait éliminer le risque qu’un composant restant se loge dans le tractus gastro-intestinal », a déclaré Rogers.
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Le plus grand défi des chercheurs est de contrôler la durée de vie de la batterie et de rendre sa panne plus prévisible, a déclaré Traverso.
Les chercheurs ont également découvert une certaine variabilité entre les batteries, qu’ils ont attribuée à des facteurs liés à leur construction, notamment le degré de contact entre les couches, leur répartition en électrolytes et les différences d’épaisseur du revêtement de cire. L’équipe travaille désormais à normaliser la fabrication et à ajuster le revêtement afin que les batteries puissent être conçues pour fonctionner pendant des périodes de temps spécifiques, allant de quelques heures à plusieurs jours.
L’équipe prévoit également d’effectuer des tests plus longs dans des conditions imitant davantage le tractus gastro-intestinal humain. Ils travaillent sur un premier essai clinique du système RFID qui pourrait commencer dans environ deux ans, a déclaré Traverso.
