Kan interne batterier drive næste generations wearables og endda bekæmpe kræft?

Wearable-teknologi har i et stykke tid omformet vores daglige liv, og den vil kun vokse yderligere, som det fremgår af markedet for wearable-enheder, der i 2022 var vurderet til 61,30 milliarder dollars. I samme år blev der sendt mere end 490 millioner wearable-enheder til forbrugerne. 

Drevet af innovation har wearables formet tendenser på tværs af industrier fra miljømæssig bæredygtighed til sundhedspleje, hvor sådanne elektroniske enheder har transformeret sundhedsovervågning, terapier, sygdomsdiagnostik og sårheling. For at fungere pålideligt er disse enheder afhængige af batterier, der ikke kun er biokompatible, men også har tilstrækkelig kapacitet.

Størstedelen af implantable enheder drives af traditionelle batterier som Ag-Zn (sølv-zink) og Li-I2 (lithium-iod) batterier. Disse konventionelle batterier har dog begrænset kapacitet og udgør en sikkerhedsrisiko på grund af lækage af organisk elektrolyt.  

Forseglet og anvendt til at drive implantable enheder er kapaciteten af Ag-Zn- og Li-I2-batterier begrænset af deres masse, hvilket begrænser deres levetid. Det er her, en ny undersøgelse foreslår at udnytte komponenter, som levende organismer naturligt indeholder. Disse komponenter omfatter sved, enzymer, glukose og opløst ilt, som kan anvendes som kontinuerlige energikilder til batterier.a new study proposes utilizing components that living organisms contain naturally. These components include sweat, enzymes, glucose, and dissolved oxygen, which can be utilized as continuous energy sources for batteries.

Brug af aktive komponenter som O2 og glukose som katoder/anoder, der kan opnås kontinuerligt gennem metabolismen, viser god elektrokemisk ydeevne både in vitro og in vivo. 

Udgivet i Cell Press foreslår undersøgelsen metal-O2-batterier, som vil bruge O2 som en aktiv komponent i katoden og blive samlet med en metallisk anode. På denne måde vil de levere ekstremt høje energitætheder, der er 5 til 10 gange større end de nuværende tilgængelige implantable batterier. study proposes metal-O2 batteries, which will use O2 as an active component in the cathode and be assembled with a metallic anode. This way, they will provide extremely high energy densities that are 5 to 10 times greater than the currently available implantable batteries. 

Teoretisk set tilbyder Li-O2- og natrium‑ilt (Na-O2)-batterier forskellige energitætheder på henholdsvis 3.458 og 1.605 Wh/kg. Disse tal overgår langt de nuværende lithium‑ion‑batterier.

Undersøgelsen blev udført af Yang Lv, Xizheng Liu, Jiucong Liu og Yi Ding, som alle er tilknyttet Laboratoriet for avancerede funktionelle porøse materialer, Institut for nye energimaterialer & lav‑kulstof‑teknologier, Skolen for materialvidenskab og -ingeniørkunst, Tianjin University of Technology, Kina. 

Andre forskere omfattede Shuang Wu og Pingli Wu fra College of Chemistry and Materials Science, Institute of Life Science and Green Development, Hebei University, Kina; Shuangyong Sun fra School of Pharmacy, Tianjin Medical University; og Yonggang Wang fra Department of Chemistry og Shanghai Key Laboratory of Molecular Catalysis and Innovative Materials, Institute of New Energy, iChEM, Fudan University, Kina.

Undersøgelsen modtog økonomisk støtte fra National Natural Science Foundation of China, National Key Research and Development Program of China og National Science Fund for Distinguished Young Scholars.

Implantable og biokompatibelt Na-O2-batteri

Oxygen er essentielt for livet og udbredt i levende væv. På samme måde er natrium, et andet vigtigt element, bredt til stede i vores kroppe i form af Na+. Denne udbredelse gør metal‑O2‑batterier til et lovende udsyn for konstant genopfyldning af energikilder. 

Selvom natrium er blevet udviklet som en lovende anode til genopladelige batterier, har Na-O2-batterier været særligt populære på grund af deres lave omkostninger, høje teoretiske energitætheder og potentiale for brug i smarte net og bærbar elektronik. Desuden kan udladningsproduktet fra Na-O2-batterier let metaboliseres i lever og nyrer, hvilket øger deres tiltrækningskraft.

På denne måde kan Na-O2-batterier opfylde kravene til kontinuerlig forsyning af råmaterialer samt in vivo produktmetabolisme.

Dette er derfor ikke første gang, forskere har fokuseret på Na-O2-batterier. I 2018 bemærkede en undersøgelse deres potentiale takket være deres høje teoretiske energitæthed og rigelige ressourcer, men påpegede også deres langsomme kinetik på grund af dannelsen af store udladningsprodukter med kubiske eller uregelmæssige partikelformer. a study noted their potential thanks to their high theoretical energy density and abundant resources while calling attention to their sluggish kinetics due to the formation of large-size discharge products with cubic or irregular particle shapes. 

Et andet papir af Hossein Yadegari og Xueliang Sun fra Department of Mechanical and Materials Engineering ved University of Western Ontario bemærkede, at Na-O2-batterier er fremkommet som et energieffektivt alternativ til Li-O2-batterier. De er baseret på reversibel superoxidkemi, hvor deres celler viser lavere overpotentiale ved opladning sammenlignet med deres Li-modparter, hvilket kan omsættes til høj cyklisk ydeevne. paper by Hossein Yadegari and Xueliang Sun from the Department of Mechanical and Materials Engineering at the University of Western Ontario noted that Na-O2 batteries have emerged as an energy-efficient alternative to Li-O2 batteries. They rely on reversible superoxide chemistry, with their cells showing lower overpotential charging in comparison to their Li counterparts, which can be translated into high cycling performance. 

Dog påpegede den, at interaktionen mellem ionparret er utilstrækkelig til at forhindre den nukleofile angreb af O2 på celleelektrolytten. Derudover udgør den iboende stabilitet af NaO2 og den højere kemiske reaktivitet af metallisk Na udfordringer i udviklingen af Na-O2-batterier. Selvom der kun er relativt få rapporter om disse batterier, understreger de betydelige potentielle fordele ved implantable metal‑O2‑batterier vigtigheden af at tackle de eksisterende udfordringer.

Den seneste undersøgelse fremhæver nødvendigheden af, at batterier, der anvendes in vivo, har en åben arkitektur, så de kan adsorbere O2 fra kropsvæsker. Desuden understreger den vigtigheden af at vælge batterikomponenter, der udviser god biokompatibilitet for at undgå afvisning og reaktioner. Derudover skal den Na‑baserede anode, som er meget reaktiv, beskyttes grundigt. Batteridesignet skal også være fleksibelt for at muliggøre stabil og intim kontakt med blødt væv.

Som resultat foreslår holdet et nyt Na-O2-batteridesign, der anvender en stabil Na‑baseret legering (NaGaSn) som anode (hvorfra elektriciteten kommer ind) og en nanoporøs guld (NPG) katode (hvor elektriciteten forlader) komponent, adskilt af en ionbytningsmembran (Nafion).

I stedet for at bruge ren metallisk Na valgte forskerne en NaGaSn ternær legering for at forbedre sikkerheds- og korrosionsbestandighed i levende organismer. Samtidig blev NPG anvendt som katode i metal‑luft‑batterier til iltreduktionsreaktionen. Under udladning leveres O2 kontinuerligt fra kropsvæsker og reduceres via NPG‑katalyse. 

Lovende resultater, potentielle anvendelser 

Efterhånden som implantable elektronik får stigende opmærksomhed på grund af deres potentiale til at revolutionere personlig sundhedsovervågning og præcisionsbehandling, vokser vigtigheden af implantable batterier tilsvarende. Her kan brugen af aktive komponenter fra levende organismer levere langsigtede energikilder, hvilket reducerer behovet for gentagne batteriskift gennem kirurgiske indgreb og tilbyder en mere bæredygtig langsigtet løsning. 

Undersøgelsen udviklede med succes et implantabelt og biokompatibelt Na-O2-batteri med en åben katodestruktur, der fungerer gnidningsløst. I rotter opnåede det laminerede batteri en effekt tæthed på 2,6 μW/cm2 ved 1,3 V, hvilket demonstrerer fremragende biokompatibilitet in vivo. 

Resultaterne viste ingen væsentlig betændelse omkring de implanterede batterier. Derudover regenererer kapillærer sig godt omkring katoden, hvilket giver en kontinuerlig kilde til O2 for batteriet.

Samtidig gjorde NPG‑katodekatalysatoren det muligt for batteriet at opnå fremragende stabilitet, hvilket ifølge undersøgelsen gør NPG til det “uundgåelige valg” som katode i Na-O2-batteriet. Den elektrospundne PLCL-membran hjalp med at forbedre biokompatibiliteten, og membranens porøse struktur, som tjente som kanaler for transport af masse og elektrolyt, tillod permeation af kropsvæske og diffusion af O2.

Hvad angår Na+ og OH−‑ionerne, der produceres under udladningsprocessen, så kom de ind i blodet uden at forårsage elektrolytforstyrrelser, og deres metabolisme i kroppen resulterede ikke i nogen abnormiteter i lever eller nyrer. 

Undersøgelsesresultaterne viste også lovende potentiale som energikilde til at drive mikro‑implantabel elektronik. Desuden fremhæver forbruget af O2 fra kropsvæsker Na-O2-batteriets potentielle anvendelser inden for biologisk og medicinsk forskning. Ifølge undersøgelsen:

“Vores Na-O2-batteri revolutionerer konceptet med implantable batterier; forbruget af O2 under udladning resulterer i en deoxygenationsfunktion, som også giver en ny måde at kombinere bio‑elektroniske implantater og bioterapi mod sygdomme forbundet med anaerobe miljøer.”

Således har Na-O2-batteriet tydeligt stort potentiale, men det er ikke begrænset til kun at drive wearables; det kan også anvendes i langt større omfang, herunder i kræftbehandling og overvågning af sårheling.

Undersøgelsen bemærkede desuden, at senil demens og kræft er tæt forbundet med iltniveauerne i de relevante væv. Et nyligt rapporteret selvopladende saltvandsbatteri til antitumorbehandling ved at forbruge O2 åbner en ny måde at kombinere bioelektroniske implantater og bioterapi.

Præcis kontrol af O2‑koncentrationen i det aktuelle batteri viser potentielle terapeutiske evner mod sygdomme forårsaget af iltaggregation eller patogene bakterier. Desuden kan katalysatorerne i Na-O2-batteriets katode reducere superoxiddradikalerne, der forårsager senil demens, hvilket også fremhæver dets potentielle anvendelser inden for disse områder.

Således, selvom mange udfordringer stadig skal tackles, er Na-O2 (natrium‑ilt) batteriet “meget lovende og kan udløse en ny revolution inden for implantable enheder, hvilket fører til udviklingen af nye metoder til behandling af forskellige sygdomme”, ifølge undersøgelsen.

Klik her for at lære om de næste generations kreative wearables – Thermal Earrings

Biotech wearables-løsninger under udvikling  

Wearable-teknologi handler primært om elektroniske enheder, der bæres på kroppen for at overvåge målinger. I dag fremmer disse enheder en bred vifte af industrier, fra medicin, sport og fintech til fremstilling og mere.

I sportsindustrien giver wearables atleter realtidsdata og feedback på deres præstation. Smarte solbriller, fodtøj og tøj bruger sensorer til at spore og overvåge hjertefrekvens, skridt og fysisk aktivitet samt andre målinger. Disse oplysninger kan derefter bruges til at forbedre specifikke områder og justere fitness‑ og træningsplaner i overensstemmelse hermed.

I fremstillingssektoren hjælper disse enheder med at sikre arbejdssikkerhed ved at give realtidsadvarsler og information om potentielt farlige situationer. Samtidig hjælper de med at identificere områder for forbedring ved at spore medarbejderes effektivitet og produktivitet og foretage passende justeringer i arbejdsprocesserne.

Det er dog i sundhedssektoren, at wearable‑teknologi via enheder som smartwatches, fitness‑trackere, biosensorer, blodtryksmålere og elektrokardiogram (EKG)-monitorer virkelig ryster tingene.

Wearables giver brugerne mulighed for at indsamle deres egne sundhedsdata og på baggrund heraf handle. Sundhedsprofessionelle kan afbøde livstruende situationer gennem realtidspatientovervågning, som wearables gør nemt.

Disse enheder sporer og overvåger vitale tegn og sundhedsdata, så læger og plejepersonale kan identificere potentielle sundhedsproblemer og give rettidige indgreb. De giver også forskere og læger værdifulde indsigter til at fremme klinisk forskning og udvikle nye terapier og behandlinger.

Samtidig kan udbydere og forsikringsselskaber bruge disse enheder til at tilbyde mere præcise og personlige sundhedsplaner. Organisationer bruger dem også til at fremme sunde vaner blandt medarbejdere.

I bioteksektoren muliggør wearables ikke‑invasiv overvågning af fysiologisk status samt sygdomstilstande og toksineksponering. De kan være en stor hjælp i præcisionsmedicin ved at give forskere og videnskabsfolk mulighed for at identificere potentielle bivirkninger. Derudover giver wearables indsigt i miljøforhold, såsom temperatur og luftkvalitet, for at studere deres påvirkning på biologiske systemer.

Lad os nu se på nogle virksomheder, der udvikler wearable‑løsninger.

#1. Google-Acquired Fitbit 

Dette er et ret velkendt navn i wearable‑industrien for sine fitness‑trackere, der overvåger forskellige sundhedsparametre såsom aktivitetsniveau, hjertefrekvens og søvnmønstre. Det tilbyder også en coaching‑platform, der leverer løsninger til forskere, sundhedssystemer og virksomheders wellness‑programmer. Fitbit fokuserer primært på forbrugerfitness og har indgået partnerskaber med sundhedsfirmaer.

Tidligere i år indgik Googles Fitbit et partnerskab med laboratoriefirmaet Quest Diagnostics (DGX ) for at undersøge, hvordan wearable‑teknologier kan forbedre metabolisk sundhed og muligvis forebygge sygdomme som slagtilfælde, diabetes og demens, blandt andre. Et andet partnerskab var med ViviHealth for prædiktiv og foreskrivende analyse for at transformere centre for adfærdsmæssig sundhed.

Google er et selskab med en markedsværdi på 1,9 billioner dollars, hvor aktien ligger på $153,16, op 9,5 % år‑til‑dato. Selskabets omsætning (TTM) har været $307,39 mia., EPS (TTM) på 5,80 og P/E (TTM) på 26,41.

#2. Garmin 

Virksomheden producerer wearables til fitnessaktiviteter med funktioner til overvågning af hjertefrekvens, stressniveauer og endda pulsoximetri. Dens Venu-serie sporer kropsmønstre og søvnkvalitet og kan parres med Android‑ og Apple (AAPL ) ‑smartphones for ekstra bekvemmelighed. Gennem sine enheder hjælper Garmin brugerne med at opretholde sundhedsmål og har til formål at forbedre den samlede samfundssundhed, fremme velvære og reducere forbruget af sundhedspleje.

Virksomheden startede for tre årtier siden med sine banebrydende GPS‑navigationsprodukter til luftfartsindustrien, men udvidede senere til at dække marine, bil, udendørs‑ og fitness‑markederne. Dens nuværende fokus er på at udvide i det indiske marked og erobre den voksende ‘midterklasse’-forbrugerbase.

#3. Abbott Laboratories

Virksomheden udvikler forskellige medicinske enheder, herunder wearable‑teknologier. Dette inkluderer FreeStyle Libre, en lille cirkulær sensor, der fastgøres på overarmen og giver realtidsglukosemålinger til personer med diabetes for at hjælpe dem med at håndtere deres tilstand mere effektivt. Den markedsledende wearable glukosesensor har over 5 millioner brugere verden over.

Udover diabetes tilbyder det i Illinois‑baserede selskab også tjenester inden for fysisk bevægelse og kardiologi. Med en markedsværdi på $193,62 mia. handles selskabets aktier til $111,56, op 1,53 % år‑til‑dato. Selskabets omsætning (TTM) har været $40,10 mia., EPS (TTM) på 3,27 og P/E (TTM) på 34,10.

#4. BioTelemetry Inc. 

Nu som en del af Philips leverer BioTelemetry fjernmedicinske overvågningssystemer, herunder wearables til hjerteovervågning. Disse wearable‑sensorer sporer hjerterytmeabnormiteter og andre hjerteparametre i realtid. Sent i 2020 købte Philips BioTelemetry i en handel på $2,8 milliarder.

Konklusion

Markedet for wearable‑teknologier vokser kraftigt og er forventet at overstige $118 mia. senest 2026. Endelig træder wearables ind i en bred vifte af industrier, fra fitness, uddannelse og underholdning til rejser og mode. 

Men med stigende sundhedsbekymringer skaber wearables især en betydningsfuld indvirkning på vores vaner, sundhed og liv. Selvom disse enheder bliver stadig mere sofistikerede, er batteriproblemet noget, der skal løses. 

Som vi kan se her, udføres der studier for at forlænge wearables’ levetid og hjælpe dem med at bekæmpe sygdomme som kræft. I fremtiden vil teknologiske fremskridt og forskning gøre wearables endnu bedre til at levere personlig pleje og markant forbedre patientresultater.

Klik her for en liste over de bedste wearable sundhedssporingsvirksomheder at investere i.