Kunnen Interne Batterijen de Volgende Generatie Wearables Aandrijven en Zelfs Kanker Bestrijden?

Draagbare technologie vormt al geruime tijd ons dagelijks leven en zal alleen maar blijven groeien, zoals blijkt uit de markt voor draagbare apparaten, die in 2022 werd gewaardeerd op $61,30 miljard. Alleen dat jaar werden meer dan 490 miljoen draagbare eenheden naar consumenten verzonden. 

Gedreven door innovatie hebben wearables trends gevormd die zich uitstrekken over sectoren van milieuduurzaamheid tot gezondheidszorg, waar dergelijke elektronica de gezondheidsmonitoring, therapieën, ziektediagnostiek en wondgenezing hebben getransformeerd. Om betrouwbaar te functioneren, zijn deze apparaten afhankelijk van batterijen die niet alleen biocompatibel zijn, maar ook voldoende capaciteit hebben.

De meerderheid van implanteerbare apparaten wordt aangedreven door traditionele batterijen zoals Ag-Zn (zilver‑zink) en Li‑I2 (lithium‑iodide) batterijen. Deze conventionele batterijen hebben echter een beperkte capaciteit en vormen een veiligheidsrisico door lekken van organisch elektrolyt.  

Afgesloten en gebruikt voor het aandrijven van implanteerbare apparaten, wordt de capaciteit van Ag‑Zn en Li‑I2 batterijen beperkt door hun massa, wat hun levensduur beperkt. Hier stelt een nieuwe studie voor om componenten te gebruiken die levende organismen van nature bevatten. Deze componenten omvatten zweet, enzymen, glucose en opgelost zuurstof, die als continue energiebronnen voor batterijen kunnen worden benut.

Het gebruik van actieve componenten zoals O2 en glucose als kathodes/anodes die continu via metabolisme kunnen worden verkregen, vertoont zowel in vitro als in vivo goede elektrochemische prestaties. 

Gepubliceerd in Cell Press stelt de studie metaal‑O2 batterijen voor, die O2 als actief component in de kathode gebruiken en worden samengesteld met een metalen anode. Op deze manier leveren ze extreem hoge energiedichtheden die 5 tot 10 keer hoger zijn dan de momenteel beschikbare implanteerbare batterijen. 

Theoretisch bieden Li‑O2 en natrium‑zuurstof (Na‑O2) batterijen verschillende energiedichtheden van respectievelijk 3.458 en 1.605 Wh/kg. Deze cijfers overtreffen die van huidige lithium‑ion batterijen ruimschoots. 

De studie werd uitgevoerd door Yang Lv, Xizheng Liu, Jiucong Liu en Yi Ding, die allen verbonden zijn aan het Laboratorium voor Geavanceerde Functionele Poreuze Materialen, Instituut voor Nieuwe Energymaterialen & Lage‑Koolstof Technologieën, School voor Materiaalkunde en -techniek, Tianjin University of Technology, China. 

Andere onderzoekers waren Shuang Wu en Pingli Wu van de Faculteit Chemie en Materiaalkunde, Instituut voor Levenswetenschappen en Groene Ontwikkeling, Hebei University, China; Shuangyong Sun van de Faculteit Farmacie, Tianjin Medical University; en Yonggang Wang van de Afdeling Chemie en het Shanghai Key Laboratory voor Moleculaire Catalyse en Innovatieve Materialen, Instituut voor Nieuwe Energie, iChEM, Fudan University, China.

De studie ontving financiële steun van de National Natural Science Foundation of China, het National Key Research and Development Program of China, en het National Science Fund for Distinguished Young Scholars.

Implanteerbare en Biocompatibele Na‑O2 Batterij

Zuurstof is essentieel voor het leven en alomtegenwoordig in levende weefsels. Evenzo is natrium, een ander essentieel element, wijdverspreid aanwezig in ons lichaam in de vorm van Na+. Deze alomtegenwoordigheid maakt metaal‑O2 batterijen een veelbelovend vooruitzicht voor voortdurend aangevuldende energiebronnen. 

Hoewel natrium is ontwikkeld als een veelbelovende anode voor oplaadbare batterijen, zijn Na‑O2 batterijen bijzonder populair vanwege hun lage kosten, hoge theoretische energiedichtheden en potentieel voor gebruik in slimme netwerken en draagbare elektronica. Bovendien kan het ontlaadproduct van Na‑O2 batterijen gemakkelijk worden gemetaboliseerd in de lever en nieren, wat hun aantrekkingskracht vergroot.

Op deze manier kunnen Na‑O2 batterijen voldoen aan de eisen van een continue toevoer van grondstoffen en in vivo productmetabolisme.

Dit is dus niet de eerste keer dat onderzoekers zich op Na‑O2 batterijen richten. In 2018 merkte een studie hun potentieel op, dankzij hun hoge theoretische energiedichtheid en overvloedige bronnen, terwijl ze waarschuwden voor hun trage kinetiek als gevolg van de vorming van grootschalige ontlaadproducten met kubieke of onregelmatige deeltjesvormen. 

Een andere paper van Hossein Yadegari en Xueliang Sun van de afdeling Werktuigbouwkunde en Materiaalkunde aan de University of Western Ontario merkte op dat Na‑O2 batterijen zijn opgekomen als een energie‑efficiënt alternatief voor Li‑O2 batterijen. Ze vertrouwen op omkeerbare superoxide‑chemie, waarbij hun cellen een lagere overpotentiaal bij het opladen vertonen in vergelijking met hun Li‑tegenhangers, wat zich vertaalt in een hoge cyclische prestatie. 

Echter, werd erop gewezen dat de interactie tussen het ionenpaar onvoldoende is om de nucleofiele aanval van O2 op het cel‑elektrolyt te voorkomen. Bovendien vormen de intrinsieke stabiliteit van NaO2 en de hogere chemische reactiviteit van metallisch Na uitdagingen voor de ontwikkeling van Na‑O2 batterijen. Hoewel er relatief weinig rapporten over deze batterijen zijn, onderstrepen de aanzienlijke potentiële voordelen van implanteerbare metaal‑O2 batterijen het belang van het aanpakken van de bestaande uitdagingen.

De nieuwste studie benadrukt de noodzaak dat batterijen die in vivo worden gebruikt een open architectuur hebben, zodat O2 uit de lichaamsvloeistoffen kan worden geadsorbeerd. Bovendien legt ze de nadruk op het belang van het selecteren van batterijcomponenten die goede biocompatibiliteit vertonen om afstoting en reacties te voorkomen. Daarnaast moet de op natrium gebaseerde anode, vanwege de hoge reactiviteit, goed beschermd worden. Het batterijontwerp moet bovendien flexibel zijn om een stabiel en intiem contact met zacht weefsel mogelijk te maken.

Als gevolg hiervan stelt het team een nieuw Na‑O2 batterijontwerp voor dat een stabiele Na‑gebaseerde legering (NaGaSn) als anode (waar de elektriciteit naartoe stroomt) en een nanoporieuze goud (NPG) kathode (waar de elektriciteit uit stroomt) gebruikt, gescheiden door een ionenuitwisselingsmembraan (Nafion).

In plaats van zuiver metallisch Na te gebruiken, kozen de onderzoekers voor een NaGaSn ternair legering om de veiligheid en anti‑corrosie eigenschappen in levende organismen te verbeteren. Ondertussen werd de NPG gebruikt als kathode in metaal‑lucht batterijen voor de zuurstofreductiereactie. Tijdens het ontladen wordt O2 continu geleverd uit lichaamsvloeistoffen en gereduceerd via NPG‑katalyse.

Veelbelovende Resultaten, Potentiële Toepassingen 

Naarmate implanteerbare elektronica steeds meer aandacht krijgt vanwege hun potentieel om gepersonaliseerde gezondheidsmonitoring en precisietherapie te revolutioneren, groeit het belang van implanteerbare batterijen evenredig. Hier kan het gebruik van actieve componenten uit levende organismen langdurige energiebronnen bieden, waardoor de noodzaak om batterijen herhaaldelijk via chirurgische ingrepen te vervangen, wordt verminderd, wat een duurzamere langetermijnoplossing biedt.

De studie heeft met succes een implanteerbare en biocompatibele Na‑O2 batterij ontwikkeld met een open kathodestructuur die soepel werkt. In ratten bereikte de gelaagde batterij een vermogensdichtheid van 2,6 μW/cm² bij 1,3 V, wat uitstekende biocompatibiliteit in vivo aantoont. 

De resultaten toonden geen significante ontsteking rond de geïmplanteerde batterijen. Bovendien regenereren de haarvaten goed rond de kathode, waardoor een continue bron van O2 voor de batterij wordt geboden.

Ondertussen stelde de NPG kathode‑katalysator de batterij in staat om uitstekende stabiliteit te bereiken, wat volgens de studie NPG de “onvermijdelijke keuze” maakt als kathode van de Na‑O2 batterij. Het elektrospinnen PLCL‑membraan hielp de biocompatibiliteit te verbeteren, en de poreuze structuur van het membraan, die fungeert als kanalen voor het transport van massa en elektrolyt, stond de permeatie van lichaamsvloeistof en diffusie van O2 toe.

Wat betreft de Na+ en OH− ionen die tijdens het ontlaadproces worden geproduceerd, deze kwamen het bloed binnen zonder elektrolytenstoornissen te veroorzaken, en hun metabolisme in het lichaam resulteerde niet in afwijkingen in de lever en nieren.

De studieresultaten toonden ook veelbelovend potentieel als energiebron voor het aandrijven van micro‑implanteerbare elektronica. Bovendien benadrukt het verbruik van O2 uit lichaamsvloeistoffen de potentiële toepassingen van de Na‑O2 batterij in biologische en medische onderzoeksvelden. Volgens de studie:

“Onze Na‑O2 batterij revolutioneert het concept van implanteerbare batterijen; het verbruik van O2 tijdens het ontladen resulteert in een deoxygenatiefunctie, die ook een nieuwe manier biedt om bio‑elektronische implantaten en biotherapie te combineren voor ziekten die geassocieerd zijn met anaërobe omgevingen.” 

Dus, de Na‑O2 batterij heeft duidelijk een groot potentieel, maar is niet beperkt tot het alleen aandrijven van wearables; ze kan veel bredere toepassingen hebben, waaronder kankerbehandelingen en het monitoren van wondgenezing.

De studie merkte bovendien op dat seniele dementie en kanker nauw verband houden met het zuurstofniveau in de betreffende weefsels. Een recent gerapporteerde zelf‑opladen zoutwaterbatterij voor antikankertherapie door O2 te verbruiken, opent een nieuwe manier om bio‑elektronische implantaten en biotherapie te combineren.

Het nauwkeurig regelen van de O2‑concentratie in de huidige batterij toont potentiële therapeutische mogelijkheden tegen ziekten veroorzaakt door zuurstofaggregatie of pathogene bacteriën. Bovendien kunnen de katalysatoren in de kathode van Na‑O2 batterijen de superoxide‑radicalen die seniele dementie veroorzaken, verminderen, wat hun potentiële toepassingen in deze gebieden benadrukt.

Dus, hoewel er nog veel uitdagingen moeten worden aangepakt, is de Na‑O2 (Natrium‑Zuurstof) batterij “hoogbelovend en kan een nieuwe revolutie ontketenen op het gebied van implanteerbare apparaten, wat leidt tot de ontwikkeling van nieuwe methoden voor de behandeling van diverse ziekten”, aldus de studie.

Klik hier om meer te leren over de volgende generatie creatieve wearables – Thermische Oorringen

Biotech Wearable Oplossingen in Ontwikkeling  

Draagbare technologie draait voornamelijk om elektronische apparaten die op het lichaam worden gedragen om metrieken te monitoren. Tegenwoordig bevorderen deze apparaten een breed scala aan sectoren, van geneeskunde, sport en fintech tot productie en meer.

In de sportindustrie bieden draagbare apparaten atleten realtime gegevens en feedback over hun prestaties. Slimme zonnebrillen, schoenen en kleding gebruiken sensoren om hartslag, stappen en fysieke activiteit, naast diverse andere metrieken, te volgen en te monitoren. Deze informatie kan vervolgens worden gebruikt om verbeteringen aan te brengen in specifieke gebieden en fitness‑ en trainingsplannen dienovereenkomstig aan te passen. 

In de productiesector helpen deze apparaten de veiligheid op de werkplek te waarborgen door realtime waarschuwingen en informatie over potentieel gevaarlijke situaties te bieden. Tegelijkertijd helpen ze door de efficiëntie en productiviteit van werknemers te volgen, gebieden voor verbetering te identificeren en vervolgens passende aanpassingen in werkprocessen door te voeren.

Het is echter in de gezondheidszorg dat draagbare technologie via apparaten zoals smartwatches, fitness trackers, biosensoren, bloeddrukmeters en elektrocardiogram (ECG) monitors echt een revolutie teweegbrengt. 

Wearables stellen gebruikers in staat hun eigen gezondheidsgegevens te verzamelen en op basis daarvan actie te ondernemen. Zorgprofessionals kunnen levensbedreigende situaties beperken door realtime patiëntmonitoring, die met wearables eenvoudig wordt gemaakt. 

Deze apparaten volgen en monitoren vitale tekenen en gezondheidsgegevens, waardoor artsen en zorgverleners potentiële gezondheidsproblemen kunnen opsporen en tijdig kunnen ingrijpen. Ze bieden ook onderzoekers en artsen waardevolle inzichten om klinisch onderzoek te bevorderen en nieuwe therapieën en behandelingen te ontwikkelen.

Ondertussen kunnen zorgverleners en verzekeraars deze apparaten gebruiken om nauwkeurigere en gepersonaliseerde gezondheidsplannen aan te bieden. Organisaties maken er ook gebruik van om gezonde gewoonten onder werknemers te stimuleren.

In de biotechsector maken wearables niet‑invasieve monitoring van de fysiologische status mogelijk, evenals de toestand van ziekten en blootstelling aan toxines. Ze kunnen een grote hulp zijn in precisiegeneeskunde door onderzoekers en wetenschappers in staat te stellen eventuele bijwerkingen te identificeren. Bovendien bieden wearables inzicht in omgevingscondities, zoals temperatuur en luchtkwaliteit, om hun effecten op biologische systemen te bestuderen. 

Laten we nu enkele bedrijven bekijken die wearable oplossingen ontwikkelen. 

#1. Google‑aangekochte Fitbit 

Dit is een vrij bekende naam in de wearable‑industrie vanwege zijn fitness trackers die verschillende gezondheidsmetingen monitoren, zoals activiteitsniveaus, hartslag en slaappatronen. Het biedt bovendien een coachingsplatform dat oplossingen biedt voor onderzoekers, zorgsystemen en bedrijfswellness. Fitbit richt zich voornamelijk op consumentfitheid en werkt samen met zorgbedrijven.

Eerder dit jaar ging Google’s Fitbit een partnerschap aan met het laboratoriumtestbedrijf Quest Diagnostics (DGX ) om te onderzoeken hoe draagbare technologieën de metabole gezondheid kunnen verbeteren en mogelijk ziekten zoals beroerte, diabetes en dementie kunnen voorkomen, onder andere. Een ander partnerschap was met ViviHealth voor voorspellende en voorschrijvende analyses om gedragsgezondheidscentra te transformeren.

Google is een bedrijf met een marktkapitalisatie van $1,9 biljoen en een aandeelprijs van $153,16, een stijging van 9,5% YTD. De omzet (TTM) van het bedrijf bedraagt $307,39 miljard, EPS (TTM) van 5,80, en P/E (TTM) van 26,41.

#2. Garmin 

Het bedrijf produceert draagbare apparaten voor fitnessactiviteiten met functies voor het monitoren van hartslag, stressniveaus en zelfs pulsoximetrie. De Venu‑serie volgt lichaamspatronen en slaapkwaliteit en koppelt zich aan Android‑ en Apple (AAPL ) ‑smartphones voor extra gemak. Met zijn apparaten helpt Garmin gebruikers hun gezondheidsdoelen te behouden en streeft het naar verbetering van de algehele maatschappelijke gezondheid, het bevorderen van welzijn en het verminderen van de zorgconsumptie.

Het bedrijf begon drie decennia geleden met zijn geavanceerde GPS‑navigatieproducten voor de luchtvaartindustrie, om vervolgens uit te breiden naar de maritieme, automotive, outdoor en fitnessmarkten. De huidige focus ligt op uitbreiding in de Indiase markt en het aantrekken van de groeiende ‘middenklasse’ consumentenbasis.

#3. Abbott Laboratories

Het bedrijf ontwikkelt diverse medische apparaten, waaronder draagbare technologieën. Dit omvat FreeStyle Libre, een kleine ronde sensor die aan de bovenarm wordt bevestigd en realtime glucosespiegels levert voor mensen met diabetes om hun aandoening effectiever te beheren. De marktleidende draagbare glucosesensor heeft meer dan 5 miljoen gebruikers wereldwijd.

Naast diabetes biedt het in Illinois gevestigde bedrijf ook diensten op het gebied van fysieke beweging en cardiologie. Met een marktkapitalisatie van $193,62 miljard worden de aandelen verhandeld tegen $111,56, een stijging van 1,53% YTD. De omzet (TTM) van het bedrijf bedraagt $40,10 miljard, EPS (TTM) van 3,27, en P/E (TTM) van 34,10.

#4. BioTelemetry Inc. 

Nu onderdeel van Philips, biedt BioTelemetry systemen voor remote medische monitoring, inclusief draagbare apparaten voor hartmonitoring. Deze draagbare sensoren volgen hartritmestoornissen en andere cardiale metrieken in realtime. Eind 2020 verwierf Philips BioTelemetry in een deal van $2,8 miljard.

Conclusie

De markt voor draagbare technologieën boomt en zal naar verwachting $118 miljard overschrijden tegen 2026. Tenslotte dringen wearables door tot een breed scala aan sectoren, van fitness, onderwijs en entertainment tot reizen en mode. 

Echter, met toenemende gezondheidszorgen hebben wearables een bijzonder betekenisvolle impact op onze gewoonten, gezondheid en leven. Hoewel deze apparaten steeds geavanceerder worden, is het batterijprobleem iets dat moet worden opgelost. 

Zoals we hier kunnen zien, worden er studies uitgevoerd om de levensduur van wearables te verlengen en hen te helpen ziekten zoals kanker te bestrijden. In de toekomst zullen technologische vooruitgang en onderzoek wearables nog beter maken in het bieden van gepersonaliseerde zorg en het aanzienlijk verbeteren van de uitkomsten voor patiënten.

Klik hier voor een lijst van top wearable gezondheids‑tracking bedrijven om in te investeren.