Voisivatko sisäiset akut virvoittaa seuraavan sukupolven kannettavia laitteita ja jopa taistella syöpää vastaan?

Kannettavaa teknologiaa on ollut muokkaamassa päivittäistä elämäämme jo jonkin aikaa, ja se tulee vain kasvamaan tästä eteenpäin, kuten osoittaa kannettavien laitteiden markkinat, joiden arvo oli 61,30 miljardia dollaria vuonna 2022. Jo tuona vuonna yli 490 miljoonaa kannettavaa yksikköä toimitettiin kuluttajille. 

Innovaatioiden ohjaamina kannettavat laitteet ovat muokanneet trendejä, jotka ulottuvat teollisuudenaloilta ympäristökestävyydestä terveydenhuoltoon, missä tällaiset elektroniikat ovat mullistaneet terveyden seurannan, hoidot, tautien diagnostiikan ja haavan paranemisen. Toimiakseen luotettavasti nämä laitteet tarvitsevat akkuja, jotka eivät ole vain bioyhteensopivia vaan myös riittävän kapasiteetillisia.

Suurin osa implantoitavista laitteista saa virransyötön perinteisistä akuista, kuten hopea‑typpiputkista (Ag‑Zn) ja litium‑joodiakkuista (Li‑I2). Nämä perinteiset akut kuitenkin omaavat rajoitetun kapasiteetin ja aiheuttavat turvallisuusriskin orgaanisen elektrolyyttivuodon vuoksi.  

Tiivistettyinä ja implantoitavien laitteiden virransyötönä käytettyjen Ag‑Zn- ja Li‑I2-akkujen kapasiteetti rajoittuu niiden massaan, mikä rajoittaa niiden käyttöikää. Tässä kohtaa uusi tutkimus ehdottaa elollisten organismien luonnollisesti sisältämien komponenttien hyödyntämistä. Näitä komponentteja ovat hikeä, entsyymejä, glukoosia ja liuennutta happea, joita voidaan käyttää jatkuvina energialähteinä akuille.

Aktiivisten komponenttien, kuten O2:n ja glukoosin, käyttäminen katodeina/ anodina, jotka voidaan saada jatkuvasti aineenvaihdunnan kautta, osoittaa hyvää elektrokemiallista suorituskykyä sekä in vitro että in vivo. 

Cell Press -julkaisussa tutkimus ehdottaa metallin‑O2‑akkuja, jotka käyttävät O2:ta aktiivisena komponenttina katodissa ja kootaan metallisesta anodista. Näin ne tarjoavat äärimmäisen korkean energian tiheyden, joka on 5–10 kertaa suurempi kuin nykyisesti saatavilla olevilla implantoitavilla akuilla. 

Teoriassa Li‑O2- ja natrium‑happi (Na‑O2) -akut tarjoavat erilaiset energian tiheydet, 3 458 ja 1 605 Wh/kg vastaavasti. Nämä luvut ylittävät nykyisten litium‑ioniakkujen arvot huomattavasti.

Tutkimuksen tekijöinä olivat Yang Lv, Xizheng Liu, Jiucong Liu ja Yi Ding, jotka kaikki kuuluvat Laboratorioon edistyneille toiminnallisille huokosmateriaaleille, Uusien energiamateriaalien ja vähähiiliteknologioiden instituuttiin, Materiaalitieteen ja -tekniikan koulun, Tianjinin Teknilliseen Yliopistoon, Kiina.

Muita tutkijoita olivat Shuang Wu ja Pingli Wu Kemian ja materiaalitieteen korkeakoulusta, Eläintieteen ja vihreän kehityksen instituutista, Hebein yliopistosta, Kiina; Shuangyong Sun Farmasian koulusta, Tianjinin lääketieteellisestä yliopistosta; sekä Yonggang Wang kemian laitokselta ja Shanghain keskuslaboratoriosta molekyylikatalyysille ja innovatiivisille materiaaleille, Uusien energioiden instituutista, iChEM, Fudan‑yliopistosta, Kiina.

Tutkimus sai rahoitusta Kiinan kansalliselta luonnontieteiden säätiöltä, Kiinan kansalliselta avain Tutkimus‑ ja kehitysohjelmalta sekä Kiinan kansalliselta nuorten tutkijoiden palkintorahastolta.

Implantoitava ja bioyhteensopiva Na‑O2 -akku

Happi on elämälle välttämätöntä ja läsnä kaikissa elävissä kudoksissa. Samoin natrium, toinen välttämätön alkuaine, on laajasti kehoissamme Na+-muodossa. Tämä yleisyys tekee metallin‑O2‑akuista lupaavan vaihtoehdon jatkuvasti täydennettävälle energialähteelle. 

Vaikka natriumia on kehitetty lupaavaksi anodiksi ladattaville akuille, Na‑O2‑akut ovat erityisen suosittuja niiden alhaisen kustannuksen, korkean teoreettisen energian tiheyden ja mahdollisuuden vuoksi älykkäissä verkoissa ja kannettavassa elektroniikassa. Lisäksi Na‑O2‑akkujen purkautumistuote voidaan helposti metaboloida maksassa ja munuaisissa, mikä lisää niiden houkuttelevuutta.

Tällä tavalla Na‑O2‑akut voivat täyttää jatkuvan raaka‑aineiden toimituksen sekä in vivo -tuotteen metabolian vaatimukset.

Näin ollen tämä ei ole ensimmäinen kerta, kun tutkijat ovat keskittyneet Na‑O2‑akkuihin. Vuonna 2018 eräs tutkimus huomautti niiden potentiaalin korkean teoreettisen energian tiheyden ja runsaan resurssien vuoksi, samalla kiinnittäen huomiota niiden hitaaseen kinetiikkaan suurikokoisten purkautumistuotteiden, kuutio- tai epäsäännöllismuotoisten hiukkasten, muodostumisen takia.

Toinen Hossein Yadegari ja Xueliang Sunin paperi Länsi‑Ontarion yliopiston kone‑ ja materiaalitekniikan laitokselta totesi, että Na‑O2‑akut ovat nousseet energiatehokkaaksi vaihtoehdoksi Li‑O2‑akuilla. Ne perustuvat käänteiseen superoksidi‑kemiaan, ja niiden kennot osoittavat alhaisempaa ylijännitettä latauksessa verrattuna litium‑vastineisiinsa, mikä voidaan kääntää korkeaksi syklisuorituskyvyksi.

Kuitenkin se huomautti, että ioniparin välinen vuorovaikutus ei ole riittävä estämään O2:n nukleofiilista hyökkäystä kennon elektrolyyttiä vastaan. Lisäksi NaO2:n sisäinen vakaus ja metallisen Na:n suurempi kemiallinen reaktiivisuus asettavat haasteita Na‑O2‑akkujen kehitykselle. Vaikka näistä akuista on raportoitu suhteellisen vähän, implantoitavien metallin‑O2‑akkujen merkittävät potentiaaliset edut korostavat näiden haasteiden ratkaisemisen tärkeyttä.

Viimeisin tutkimus korostaa, että in vivo -käytettävien akkujen on oltava avoimen arkkitehtuurin omaavia, jotta ne voivat adsoroida O2:ta kehon nesteistä. Lisäksi se painottaa akkuosien valinnan merkitystä, jotka osoittavat hyvän bioyhteensopivuuden hylkäämisen ja reaktioiden välttämiseksi. Lisäksi, koska ne ovat erittäin reaktiivisia, Na‑pohjainen anodi on suojattava kunnolla. Akkujen suunnittelun on myös oltava joustavaa, jotta se mahdollistaa vakaan ja tiiviin kosketuksen pehmeisiin kudoksiin.

Tämän seurauksena tiimi ehdottaa uutta Na‑O2‑akkujen suunnittelua, jossa käytetään vakaa Na‑pohjainen seos (NaGaSn) anodina (josta sähkö virtaa sisään) ja nanoporosoitettua kultaa (NPG) katodina (josta sähkö virtaa ulos), jotka on erotettu ioninvaihtokalvolla (Nafion).

Sen sijaan, että käytettäisiin puhdasta metallista Na:ta, tutkijat valitsivat NaGaSn‑kolmiokomponenttiseoksen parantaakseen turvallisuutta ja korroosionkestävyyttä elävissä organismeissa. Samaan aikaan NPG:tä käytettiin katodina metall‑ilma‑akuissa happiprosessin vähentämiseen. Purkautumisen aikana O2 toimitetaan jatkuvasti kehon nesteistä ja vähennetään NPG‑katalyysin avulla.

Lupaavat tulokset, mahdolliset sovellukset 

Kun implantoitava elektroniikka saa yhä enemmän huomiota sen potentiaalin vuoksi mullistaa henkilökohtaisen terveyden seurannan ja tarkkuushoidot, implantoitavien akkujen merkitys kasvaa vastaavasti. Tässä elollisten organismien aktiivisten komponenttien käyttö voi tarjota pitkäaikaisia energialähteitä, vähentäen siten akkujen toistuvaa vaihtamista kirurgisten toimenpiteiden kautta, tarjoten kestävämmän pitkän aikavälin ratkaisun.

Tutkimus kehitti onnistuneesti implantoitavan ja bioyhteensopivan Na‑O2‑akun, jossa on avoin katodirakenne ja joka toimii sujuvasti. Rotilla kerrostettu akku saavutti tehotiheyden 2,6 μW/cm2 1,3 V:ssa, mikä osoitti erinomaista bioyhteensopivuutta in vivo.

Tulokset osoittivat, ettei implantoitujen akkujen ympärillä ollut merkittävää tulehdusta. Lisäksi kapillaarit uusiutuvat hyvin katodin ympärillä, tarjoten jatkuvan O2‑lähteen akulle.

Samaan aikaan NPG‑katodikatalysaattori mahdollisti akun saavuttavan erinomaisen vakauden, mikä tutkimuksen mukaan tekee NPG:stä “väistämättömän valinnan” Na‑O2‑akun katodina. Elektrospunnaus‑PLCL‑kalvo auttoi parantamaan bioyhteensopivuutta, ja kalvon huokoinen rakenne, joka toimi massan ja elektrolyytin kuljetuskanavina, salli kehon nesteen läpäisemisen ja O2:n diffuusion.

Discharge‑prosessin aikana syntyvät Na+‑ ja OH−‑ionit päätyivät vereen aiheuttamatta elektrolyyttihäiriöitä, eikä niiden aineenvaihdunta elimistössä aiheuttanut poikkeavuuksia maksassa tai munuaisissa.

Tutkimustulokset osoittivat myös lupaavaa potentiaalia energialähteenä mikro‑implantoitavan elektroniikan virransyöttöön. Lisäksi O2:n kuluttaminen kehon nesteistä korostaa Na‑O2‑akun mahdollisia sovelluksia biologian ja lääketieteen tutkimusalalla. Tutkimuksen mukaan:

“Na‑O2‑akumme mullistaa implantoitavien akkujen käsitteen, O2:n kulutus purkautumisen aikana aiheuttaa deoksigenointitoiminnon, mikä tarjoaa myös uuden tavan yhdistää bio‑elektroniset implantit ja bioterapia anaerobisiin ympäristöihin liittyviin sairauksiin.”

Näin ollen Na‑O2‑akulla on selvästi suuri potentiaali, eikä se rajoitu pelkästään kannettavien laitteiden virransyöttöön; se voi nähdä paljon laajemman käytön, mukaan lukien syöpähoidot ja haavan paranemisen seuranta.

Tutkimus totesi lisäksi, että ikääntymiseen liittyvä dementia ja syöpä ovat tiiviisti yhteydessä kyseisten kudosten happipitoisuuksiin. Äskettäin raportoitu itsevarautuva suolavesi‑akku antitumorhoitoon O2:n kuluttamisen avulla avaa uuden tavan yhdistää bioelektroniset implantit ja bioterapia.

O2‑pitoisuuden tarkka säätely tässä akussa osoittaa potentiaalisia terapeuttisia kykyjä sairauksia vastaan, jotka johtuvat hapen kerääntymisestä tai patogeenisista bakteereista. Lisäksi Na‑O2‑akkujen katodissa olevat katalyytit voivat vähentää superoksidiradikaaleja, jotka aiheuttavat ikääntymiseen liittyvää dementiaa, korostaen niiden mahdollisia sovelluksia näilläkin aloilla.

Vaikka monia haasteita on vielä ratkaistava, Na‑O2‑ (natrium‑happi) akku on “erittäin lupaava ja voi käynnistää uuden vallankumouksen implantoitavien laitteiden alalla, johtamalla uusien hoitomenetelmien kehittämiseen erilaisiin sairauksiin” tutkimuksen mukaan.

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoa seuraavan sukupolven luovista kannettavista – Lämpökorvakorut

Bioteknologiset kannettavat ratkaisut kehitteillä  

Kannettava teknologia käsittää ensisijaisesti kehoon kiinnitettyjä elektronisia laitteita, jotka mittaavat erilaisia parametreja. Nykyään nämä laitteet edistävät monia toimialoja, kuten lääketiedettä, urheilua, fintech-alaa, valmistusta ja muita.

Urheilualalla kannettavat laitteet tarjoavat urheilijoille reaaliaikaista dataa ja palautetta suorituksistaan. Älylasit, jalkineet ja vaatteet käyttävät antureita sydämen sykkeen, askelten ja fyysisen aktiivisuuden sekä muiden mittareiden seuraamiseen. Tätä tietoa voidaan käyttää parantamaan tiettyjä osa-alueita ja säätämään kunto- ja harjoitusohjelmia sen mukaisesti. 

Valmistussektorilla nämä laitteet auttavat varmistamaan työpaikan turvallisuuden tarjoamalla reaaliaikaisia hälytyksiä ja tietoa mahdollisesti vaarallisista tilanteista. Samalla seuraamalla työntekijöiden tehokkuutta ja tuottavuutta ne auttavat tunnistamaan parannuskohteita ja tekemään sopivia muutoksia työnkulkuun.

Kuitenkin terveydenhuollon alalla kannettava teknologia laitteiden, kuten älykellojen, kuntojen seurantalaitteiden, biosensorien, verenpaineen mittareiden ja elektrokardiogrammi (EKG) -monitorien, avulla on todella mullistamassa asioita.

Kannettavat laitteet antavat käyttäjille mahdollisuuden kerätä omia terveystietojaan ja toimia niiden perusteella. Terveydenhuollon ammattilaiset voivat lieventää henkeä uhkaavia tilanteita reaaliaikaisella potilaan seurannalla, jonka kannettavat laitteet tekevät helpoksi.

Nämä laitteet seuraavat ja valvovat elintärkeitä merkkejä ja terveystietoja, mahdollistaen lääkäreille ja hoitajille mahdollisten terveysongelmien havaitsemisen ja ajoissa toteutettavien toimenpiteiden tarjoamisen. Ne myös antavat tutkijoille ja lääkäreille arvokasta tietoa kliinisen tutkimuksen edistämiseen sekä uusien hoitojen ja terapioiden kehittämiseen.

Samaan aikaan palveluntarjoajat ja vakuutusyhtiöt voivat hyödyntää näitä laitteita tarjotakseen tarkempia ja henkilökohtaisempia terveyssuunnitelmia. Organisaatiot käyttävät niitä myös työntekijöiden terveellisten tapojen edistämiseen.

Bioteknologian alalla kannettavat laitteet mahdollistavat ei‑invasiivisen fysiologisen tilan seurannan sekä sairauden tilan ja myrkkyaltistuksen. Ne voivat olla suuri apu tarkkuuslääketieteessä antamalla tutkijoille ja tiedemiehille mahdollisuuden tunnistaa mahdolliset sivuvaikutukset. Lisäksi kannettavat laitteet tarjoavat näkemyksiä ympäristöolosuhteista, kuten lämpötilasta ja ilmanlaadusta, niiden vaikutusten tutkimiseksi biologisiin järjestelmiin.

Katsotaanpa nyt joitakin yrityksiä, jotka kehittävät kannettavia ratkaisuja.

#1. Google-Acquired Fitbit 

Tämä on melko tunnettu nimi kannettavien laitteiden alalla sen kuntoiluseurantalaitteiden vuoksi, jotka mittaavat erilaisia terveysmittareita, kuten aktiivisuustasoja, sykettä ja unikaavoja. Se tarjoaa myös valmennusalustan, joka tarjoaa ratkaisuja tutkijoille, terveydenhuoltojärjestelmille ja yritysten hyvinvoinnille. Fitbit keskittyy pääasiassa kuluttajien kuntoiluun ja on tehnyt yhteistyötä terveydenhuoltoyritysten kanssa.

Aiemmin tänä vuonna Googlen Fitbit teki yhteistyötä laboratoriotestiyritys Quest Diagnosticsin kanssa tutkiakseen, miten kannettavat teknologiat voivat parantaa aineenvaihdunnan terveyttä ja mahdollisesti ehkäistä sairauksia, kuten aivohalvausta, diabetesta ja dementiaa, muiden muassa. Toinen yhteistyö oli ViviHealthin kanssa ennustavan ja määräävän analytiikan tarjoamiseksi käyttäytymisterveyden keskusten muuntamiseksi.

Google on 1,9 biljoonan dollarin markkina‑arvon yritys, jonka osake on 153,16 dollaria, noussut 9,5 % vuoden alusta. Yrityksen liikevaihto (TTM) on ollut 307,39 miljardia dollaria, EPS (TTM) 5,80 ja P/E (TTM) 26,41.

#2. Garmin 

Yritys valmistaa kannettavia laitteita kuntoiluun, joissa on ominaisuuksia sydämen sykkeen, stressitason ja jopa pulssioksimetrin seurantaan. Sen Venu‑sarja seuraa kehon malleja ja unen laatua ja yhdistyy Android‑ ja Apple (AAPL ) ‑älypuhelimiin lisämukavuuden vuoksi. Laitteidensa avulla Garmin auttaa käyttäjiä ylläpitämään terveyttavoitteita ja pyrkii parantamaan yhteiskunnan yleisterveyttä, edistämään hyvinvointia ja vähentämään terveydenhuollon kulutusta.

Yritys aloitti kolme vuosikymmentä sitten huippuluokan GPS‑navigaatiotuotteillaan ilmailualalle, laajentaen myöhemmin meri‑, auto‑, ulko‑ ja kuntoilumarkkinoille. Sen nykyinen fokus on laajentua intialaiselle markkinalle ja tavoittaa kasvava ‘keskiluokan’ kuluttajapohja.

#3. Abbott Laboratories

Yritys kehittää erilaisia lääketieteellisiä laitteita, mukaan lukien kannettavia teknologioita. Näihin kuuluu FreeStyle Libre, pieni pyöreä anturi, joka kiinnitetään yläkäsivelle ja tarjoaa reaaliaikaisia glukoosiarvoja diabetesta sairastaville, auttaen heitä hallitsemaan tilaansa tehokkaammin. Markkinajohtavalla kannettavalla glukoosianturilla on yli 5 miljoonaa käyttäjää ympäri maailmaa.

Diabeteksen lisäksi Illinoisissa toimiva yritys tarjoaa myös palveluita fyysisessä liikkeessä ja kardiologiassa. Markkina‑arvo on 193,62 miljardia dollaria, ja yhtiön osakkeet käyvät 111,56 dollaria, noussut 1,53 % vuoden alusta. Yrityksen liikevaihto (TTM) on ollut 40,10 miljardia dollaria, EPS (TTM) 3,27 ja P/E (TTM) 34,10.

#4. BioTelemetry Inc. 

Nyt Philipsin osana BioTelemetry tarjoaa etäseurantajärjestelmiä, mukaan lukien kannettavia laitteita sydämen seurantaan. Nämä kannettavat anturit seuraavat sydämen rytmihäiriöitä ja muita sydänmittareita reaaliajassa. Vuoden 2020 lopulla Philips hankki BioTelemetryn 2,8 miljardin dollarin kaupassa.

Johtopäätös

Kannettavien teknologioiden markkinat ovat räjähdysmäiset ja niiden odotetaan ylittävän 118 miljardia dollaria vuoteen 2026 mennessä. Loppujen lopuksi kannettavat laitteet valloittavat laajan kirjon toimialoja, kuten kuntoilua, koulutusta, viihdettä, matkailua ja muotia. 

Kuitenkin terveyshuolien kasvaessa kannettavat laitteet vaikuttavat erityisesti merkittävästi tapoihimme, terveyteemme ja elämäämme. Vaikka nämä laitteet kehittyvät yhä monimutkaisemmiksi, akkuongelma on ratkaistava.

Kuten näemme, tutkimuksia tehdään kannettavien laitteiden käyttöiän pidentämiseksi ja niiden auttamiseksi taistelemaan sairauksia, kuten syöpää, vastaan. Tulevaisuudessa teknologian edistysaskeleet ja tutkimus auttavat kannettavia laitteita tarjoamaan entistä parempaa henkilökohtaista hoitoa ja merkittävästi parantamaan potilaiden tuloksia.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon parhaista kannettavista terveyden seurantayrityksistä, joihin kannattaa sijoittaa.