Ανοίγει ο δρόμος για την κατασκευή ιατρικών νανο-συσκευών για την χορήγηση φαρμάκων
Αμερικανοί ερευνητές δημιούργησαν μια πλήρως βιοδιασπώμενη μπαταρία, η οποία διαλύεται σταδιακά μέσα στο σώμα, ανοίγοντας έτσι τον δρόμο για την κατασκευή ιατρικών νανο-συσκευών που θα εμφυτεύονται στον οργανισμό για να χορηγούν φάρμακα ή για να καταγράφουν ζωτικές λειτουργίες.
Σύμφωνα με στοιχεία που δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό έντυπο Advanced Materials, επιστήμονες, με επικεφαλής τον Δρ Τζον Ρότζερς του Πανεπιστημίου του Ιλινόις, χρησιμοποίησαν μαγνήσιο για την άνοδο της μπαταρίας και σίδηρο, μολυβδένιο ή βολφράμιο για την κάθοδο. Τα μέταλλα αυτά διαλύονται αργά στο σώμα και τα ιόντα τους είναι βιοσυμβατά σε χαμηλές συγκεντρώσεις.
Πως γίνεται η διάσπαση
Ο ηλεκτρολύτης ανάμεσα στα δύο ηλεκτρόδια είναι ένα αλατούχο διάλυμα, ενώ όλο το σύστημα περιβάλλεται από ένα βιοδιασπώμενο πολυμερές (πολυανυδρίτη). Η ένταση του παραγόμενου ηλεκτρικού ρεύματος εξαρτάται από το μέταλλο που χρησιμοποιείται για την κάθοδο της μπαταρίας. Για παράδειγμα, μια μπαταρία ενός τετραγωνικού εκατοστού, που διαθέτει μια άνοδο μαγνησίου πάχους 50 μικρομέτρων και μία κάθοδο μολυβδένιου πάχους οκτώ μικρομέτρων, παράγει ένα σταθερό ρεύμα 2,4 μιλιαμπέρ για πάνω από μια ημέρα.
Όταν η μπαταρία διαλύεται, απελευθερώνει στο σώμα λιγότερα από 9 mg μαγνήσιου, περίπου τη διπλάσια ποσότητα ενός stent για στεφανιαία αρτηρία από το ίδιο υλικό, μία ποσότητα που θεωρείται απίθανο να προκαλέσει πρόβλημα υγείας. Το 2012, η ίδια ερευνητική ομάδα είχε δημιουργήσει μια σειρά από βιοδιασπώμενα τσιπάκι πυριτίου, τα οποία μπορούν να παρακολουθούν τη θερμοκρασία του σώματος και άλλες παραμέτρους, που στη συνέχεια στέλνουν ασύρματα σε εξωτερικές συσκευές. Η κατασκευή της βιοδιασπώμενης μπαταρίας αποτελεί το απαραίτητο συμπλήρωμα γι' αυτά τα μικροτσιπ.
Όπως εξηγεί ο Δρ Ρότζερς, «σχεδόν όλα τα βασικά συστατικά για την παραγωγή ενεργειακά αυτόνομων και βιοδιασπώμενων εμφυτευμάτων είναι πλέον διαθέσιμα». Οι ερευνητές σκοπεύουν να βελτιώσουν κι άλλο την ενεργειακή απόδοση της μπαταρίας, έτσι ώστε μια νανο-μπαταρία εμβαδού μόλις 0,25 τετραγωνικών εκατοστών και πάχους μόλις ενός μικρομέτρου να μπορεί να τροφοδοτεί με ρεύμα ένα ασύρματο εμφυτευμένο αισθητήρα επί 24 ώρες τουλάχιστον.
Εκτός από την ιατρική, τέτοιες μπαταρίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιβαλλοντικές εφαρμογές, π.χ. για την τροφοδότηση μικρο-αισθητήρων, που θα ρίχνονται μέσα σε μια πετρελαιοκηλίδα ή σε άλλη εστία ρύπανσης, προκειμένου να κάνουν τις σχετικές μετρήσεις ρύπων και μετά θα αυτοδιαλύονται.
«Ζωντανά υλικά» από το MIT!
Ερευνητές του Πανεπιστημίου ΜΙΤ των ΗΠΑ έκαναν ένα ακόμα βήμα για τη δημιουργία των λεγόμενων «ζωντανών υλικών», υλικών που συνδυάζουν ανόργανα και οργανικά συστατικά. Η έμπνευση προέρχεται από την ύπαρξη στη φύση υλικών όπως τα οστά, όπου συνυπάρχουν ανόργανα μέταλλα και ζωντανά κύτταρα.
Μηχανικοί του ΜΙΤ, με επικεφαλής τον Τίμοθι Λου καθηγητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Βιολογικής Μηχανικής, κατάφεραν να μετατρέψουν βακτηριακά κύτταρα, έτσι ώστε αυτά να παράγουν βιοφίλμ με ενσωματωμένα μη έμβια υλικά, όπως νανοσωματίδια χρυσού και κβαντικές κουκίδες. Αυτά τα «ζωντανά υλικά», όπως αποκαλούνται, συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα των έμβιων κυττάρων (άμεση ανταπόκριση στα ερεθίσματα του περιβάλλοντος, παραγωγή πολύπλοκων βιολογικών μορίων κ.α.) με τα οφέλη των άβιων υλικών (μεταφορά ηλεκτρισμού, εκπομπή φωτός κ.α.).
Στο μέλλον, τέτοια «υβριδικά» υλικά μπορεί να χρησιμοποιηθούν για τον σχεδιασμό πιο πολύπλοκων συσκευών, όπως νέου τύπου μπαταριών, ηλιακών κυψελών, αυτο-επιδιορθούμενων υλικών ή διαγνωστικών και περιβαλλοντικών αισθητήρων. «Η ιδέα μας είναι να βάλουμε μαζί τον έμβιο και τον άβιο κόσμο, προκειμένου να δημιουργήσουμε υβριδικά υλικά, τα οποία θα έχουν ζωντανά κύτταρα μέσα τους και θα είναι λειτουργικά», δήλωσε ο Λου.
Οι ερευνητές πειραματίστηκαν με το γνωστό βακτήριο E.coli που από τη φύση του παράγει βιοφίλμ, το οποίο περιέχει αμυλοειδείς πρωτεϊνες που το βοηθούν να προσκολλάται σε επιφάνειες. Αυτές οι πρωτεϊνες αποτελούνται από υπομονάδες (CsgA), οι οποίες είναι δυνατό να τροποποιηθούν έτσι ώστε πλέον να ενσωματώνουν άβια υλικά, όπως τα νανοσωματίδια χρυσού.
Προγραμματίζοντας γενετικά με κατάλληλο τρόπο τα κύτταρα του E.coli, οι ερευνητές κατάφεραν να ελέγξουν τις ιδιότητες του παραγόμενου βιοφίλμ και να δημιουργήσουν υβριδικά «ζωντανά» νανοσύρματα χρυσού, βιοφίλμ-αγωγούς του ηλεκτρικού ρεύματος και φιλμ με διάσπαρτες κβαντικές κουκίδες (μικροσκοπικούς κρυστάλλους με κβαντομηχανικές ιδιότητες). Ακόμη, μπόρεσαν να «καθοδηγήσουν» τα κύτταρα έτσι να επικοινωνούν μεταξύ τους και να μεταβάλλουν μόνα τους τη σύνθεση του βιοφίλμ με το πέρασμα του χρόνου.
«Δείξαμε ότι είναι δυνατό να φτιάξουμε κύτταρα που ‘μιλάνε' και μπορούν να αλλάξουν τη σύνθεση του υλικού. Ο απώτερος στόχος μας είναι να μιμηθούμε τον τρόπο που τα συστήματα της φύσης, όπως τα οστά, σχηματίζονται. Κανένας δεν λέει σε ένα οστό τι να κάνει, όμως αυτό δημιουργεί ένα υλικό αναποκρινόμενο στα περιβαλλοντικά σήματα» αναφέρει ο Λου.
Το εύρος των πιθανών πρακτικών εφαρμογών φαίνεται από το γεγονός ότι η έρευνα χρηματοδοτείται, μεταξύ άλλων, από τα Γραφεία Ερευνών τόσο του Πολεμικού Ναυτικού, όσο και του Στρατού, καθώς επίσης από το υπουργείο Άμυνας, τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ. Η έρευνα δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «Nature Materials».
