Kan implanterbare batterier bruke kroppens oksygen til å drive medisinsk elektronikk?

Kroppsbåren teknologi har blitt en del av hverdagen. Artikkelen viser til et markedsestimat på 61,30 milliarder dollar i 2022 og over 490 millioner leverte enheter samme år. Slike anslag varierer med hvilke produkter som regnes med, og innebærer ingen garanti for videre vekst.

Kroppsbåren elektronikk brukes blant annet til aktivitetsmåling og helseovervåking. Implantater plasseres derimot inne i kroppen og har andre krav til blant annet biokompatibilitet, innkapsling og strømforsyning. Forskningen nedenfor gjelder et implantert batteri, ikke en ferdig strømkilde for vanlige smartklokker.

Implanterte medisinske enheter bruker flere batterityper, blant annet litium–jod-batterier i enkelte pacemakere. Levetiden begrenses av lagret energi og belastning. Batterienes elektrolytter og sikkerhetsutfordringer varierer: litium–jod-batterier har en fast elektrolytt, så lekkasje av organisk elektrolytt er ikke en felles egenskap ved alle disse batteriene.

Vanlige forseglede batterier har en begrenset mengde aktive materialer. En studie fra 2024 undersøkte derfor et batteri som bruker oksygen fra kroppsvæske som en av reaktantene. Andre biobatterier kan utnytte for eksempel glukose; svette er en væske og enzymer er katalysatorer, ikke i seg selv ubegrensede energikilder.

I slike systemer kan oksygen reduseres ved katoden, mens et annet stoff oksideres ved anoden. At én reaktant kan tilføres fra kroppen, betyr ikke at alle batteriets materialer fornyes gjennom stoffskiftet.

Den aktuelle studien ble publisert i tidsskriftet Chem, som utgis av Cell Press. Forskerne undersøkte et metall–oksygen-batteri med metallbasert anode og oksygen som katodereaktant. Høy teoretisk energitetthet er en motivasjon, men studien viste ikke et ferdig implantat med fem til ti ganger lengre levetid enn alle eksisterende batterier.

Artikkelen oppgir teoretiske energitettheter på 3 458 Wh/kg for litium–oksygen og 1 605 Wh/kg for natrium–oksygen. Slike tall avhenger av kjemi og beregningsgrunnlag og kan ikke sammenlignes direkte med energitettheten til et komplett kommersielt batteri med innkapsling, elektrolytt og øvrige komponenter.

Blant forfatterne var Yang Lv, Xizheng Liu, Jiucong Liu og Yi Ding ved Tianjin University of Technology i Kina, tilknyttet laboratorier for porøse materialer, energimaterialer og lavkarbonteknologi.

Forfattergruppen omfattet også Shuang Wu og Pingli Wu ved Hebei University, Shuangyong Sun ved Tianjin Medical University og Yonggang Wang ved Fudan University.

Studien mottok støtte fra blant annet National Natural Science Foundation of China, National Key Research and Development Program of China og National Science Fund for Distinguished Young Scholars.

Et implanterbart natrium–oksygen-batteri

Oksygen finnes i levende vev, og natrium forekommer i kroppsvæske som natriumioner, Na+. Metallisk natrium er derimot svært reaktivt og må ikke forveksles med disse ionene. Kroppens oksygentilførsel kan brukes som reaktant i et egnet batteri, men strømproduksjonen avhenger av hele den elektrokjemiske reaksjonen.

Natrium–oksygen-batterier forskes på på grunn av blant annet høy teoretisk energitetthet og tilgang på råstoffer. Kjemien og reaksjonsproduktene varierer med elektrolytt og konstruksjon. At natriumioner finnes naturlig i kroppen, gjør ikke alle slike batterier eller reaksjonsprodukter automatisk trygge å implantere.

For et implantat må tilførsel av oksygen, håndtering av reaksjonsprodukter og vevets respons undersøkes samlet. Anodematerialet er fortsatt en begrenset ressurs.

Natrium–oksygen-batterier var allerede undersøkt før denne studien. En studie fra 2018 beskrev mulighetene knyttet til energitetthet og råstofftilgang, men også treg reaksjonskinetikk og store utladningsprodukter. Den gjaldt batterikjemi og dokumenterte ikke klinisk bruk av implantater.

En annen oversiktsartikkel av Hossein Yadegari og Xueliang Sun ved University of Western Ontario diskuterte natrium–oksygen som et mulig alternativ til litium–oksygen. Reversibel superoksidkjemi kan gi lavere overspenning ved lading, men praktisk syklingsstabilitet er fortsatt en utfordring.

Superoksid kan angripe elektrolytten, og både stabiliteten til NaO2 og reaktiviteten til metallisk natrium skaper problemer. Resultater fra oppladbare natrium–oksygen-celler kan ikke uten videre overføres til et batteri som skal fungere i levende vev.

Implantatstudien la vekt på en åpen struktur som slipper til oksygen fra kroppsvæsken, materialer med god vevstoleranse og beskyttelse av den reaktive anoden. Fleksibilitet var også viktig for kontakt med mykt vev.

Forskerne brukte en natrium–gallium–tinn-legering, NaGaSn, som anode og nanoporøst gull, NPG, som katode. En ionebyttemembran av Nafion skilte delene. Ved utladning skjer oksidasjon ved anoden og reduksjon ved katoden; elektroner går gjennom den ytre kretsen fra anoden til katoden.

NaGaSn-legeringen ble valgt fremfor rent natriummetall for å bedre stabiliteten og begrense korrosjon. Den nanoporøse gullkatoden katalyserte oksygenreduksjonen, mens oksygen ble tilført fra omkringliggende kroppsvæske.

Lovende forsøksresultater og mulige anvendelser

En strømforsyning som varer lenger, kan på sikt redusere behovet for kirurgiske batteribytter i enkelte implantater. Det er et utviklingsmål, ikke en dokumentert klinisk fordel ved dette forsøksbatteriet.

I rotter leverte det implanterte batteriet en effekttetthet på opptil 2,6 μW/cm² ved omtrent 1,3 V. Forsøkene viste lovende vevstoleranse i observasjonsperioden. Effekten var lav, og resultatet dokumenterer ikke at batteriet allerede kan drive vanlige medisinske implantater hos mennesker.

Forskerne rapporterte ingen tydelig betennelsesreaksjon rundt batteriet i forsøket. Små blodårer vokste til rundt katoden og støttet oksygentilførselen. Slike kortvarige dyreforsøk fastslår ikke langtidssikkerhet hos mennesker.

Den nanoporøse gullkatoden bidro til stabil oksygenreduksjon. En porøs membran av elektrospunnet PLCL la til rette for kontakt med kroppsvæske og transport av oksygen. Studien undersøkte denne konstruksjonen, men viste ikke at gull er det eneste mulige katodematerialet.

Natriumioner og hydroksidioner fra utladningen ble håndtert uten målbare elektrolyttforstyrrelser eller tydelige lever- og nyreavvik i de undersøkte rottene. Dette kan ikke tolkes som at enhver dose, varighet eller batteristørrelse er ufarlig.

Resultatene viser en mulig vei til strømkilder for svært små implantater. Oksygenforbruket kan dessuten være interessant i biologisk forskning. Forfatterne diskuterte dette som en mulighet:

Batteriet forbruker oksygen under utladning. Forfatterne foreslår at denne egenskapen på sikt kan utforskes sammen med bioelektroniske implantater og behandlinger som påvirker et lokalt vevsmiljø. Dette er en forskningsidé, ikke en dokumentert behandling.

Mulige anvendelser omfatter derfor både strømforsyning og forskning på lokalt oksygenmiljø. Kreftbehandling og overvåking av sårtilheling var ikke klinisk påviste bruksområder for dette batteriet.

Oksygentilgang påvirker mange sykdomsprosesser, blant annet i svulster. Forskerne viste til annen preklinisk forskning på oksygenforbrukende batterier i kreftbehandling. Det er et annet forsøksoppsett og viser ikke at dette natrium–oksygen-batteriet behandler kreft eller demens.

Å endre oksygennivået lokalt kan ha både ønskede og skadelige virkninger. Studien dokumenterte verken behandling av infeksjoner eller at katoden fjerner årsaken til demens. Demens er sammensatt og kan ikke forklares som en sykdom som bare skyldes superoksidradikaler.

Før klinisk bruk må forskerne blant annet avklare varighet, tilstrekkelig effekt, anodeforbruk, produksjon, innkapsling og langtidssikkerhet. Resultatene er et tidlig skritt i utviklingen av implanterbare strømkilder.

Les om en annen kroppsbåren sensor: den temperaturmålende øredobben Thermal Earring.

Kroppsbårne løsninger under utvikling

Kroppsbåren teknologi omfatter elektronikk som bæres på kroppen og registrerer utvalgte målinger. Produktene brukes blant annet i idrett, arbeidsliv og helse, men må skilles fra kirurgisk implanterte enheter.

I idrett kan sensorer i klokker, briller, sko og klær registrere for eksempel aktivitet og puls. Dataene kan støtte treningsplanlegging, men målenøyaktigheten og nytten varierer med produkt og brukssituasjon.

I industrien kan kroppsbårne enheter varsle om enkelte farer eller registrere arbeidsbelastning. Dataene kan brukes til å forbedre arbeidsflyt, men teknologien garanterer ikke sikkerhet eller høyere produktivitet.

Innen helse omfatter løsningene blant annet smartklokker, aktivitetssporere, biosensorer og godkjente apparater for blodtrykks- eller EKG-måling. Forbrukerprodukter og medisinsk utstyr har ulike bruksområder og dokumentasjonskrav.

Brukerne kan følge utvalgte helsemålinger, og helsepersonell kan i egnede systemer overvåke pasienter på avstand. Dette kan støtte oppfølging, men erstatter ikke nødvendig klinisk vurdering.

Data kan bidra til å oppdage endringer som bør undersøkes nærmere og gi forskere informasjon om sykdomsforløp. En varsling eller algoritmisk vurdering er ikke alltid en sikker diagnose.

Helseaktører og forsikringsselskaper kan bruke slike data i tilpassede tilbud, og arbeidsgivere kan tilby frivillige helseprogrammer. Det forutsetter relevante regler for samtykke, personvern og bruk av helseopplysninger.

Forskning undersøker også sensorer for fysiologiske forhold, eksponeringer og enkelte sykdomsmarkører. Hvilke stoffer eller bivirkninger en enhet kan registrere, avhenger av sensoren. Målinger av temperatur og luftkvalitet kan dessuten brukes til å studere miljøpåvirkninger.

Her er noen selskaper og produktområder innen kroppsbåren teknologi. At de nevnes, betyr ikke at de bruker forsøksbatteriet fra studien.

1. Fitbit, eid av Google

Fitbit er kjent for aktivitetsmålere som registrerer blant annet aktivitet, puls og søvnmønstre. Selskapet tilbyr også tjenester knyttet til forskning og helseoppfølging. Data fra forbrukerenheter er ikke nødvendigvis tilstrekkelige til å diagnostisere sykdom.

I januar 2024 kunngjorde Fitbit og Quest Diagnostics (DGX ) et forskningssamarbeid om kroppsbårne målinger og metabolsk helse. Målet var å undersøke sammenhenger, ikke å dokumentere at enhetene i seg selv forebygger diabetes eller demens. Fitbit hadde også samarbeid med ViviHealth om analyse for oppfølging innen psykisk helse.

I artikkelens markedseksempel fra 2024 hadde Googles morselskap Alphabet en markedsverdi på omtrent 1,9 billioner dollar og aksjekurs på 153,16 dollar, opp rundt 9,5 % siden årsskiftet. Omsetningen de siste tolv månedene var oppgitt til 307,39 milliarder dollar, resultat per aksje til 5,80 dollar og P/E til 26,41. Dette er historiske øyeblikksbilder, ikke dagens kurser.

2. Garmin

Garmin lager kroppsbårne enheter som måler blant annet puls, aktivitet og søvnmønstre. Enkelte modeller tilbyr beregninger av stress og oksygenmetning. Venu-serien kan kobles til Android-telefoner og Apple (AAPL )-telefoner. Slike funksjoner kan støtte brukernes aktivitetsmål, men dokumenterer ikke i seg selv redusert behov for helsetjenester.

Garmin ble etablert i 1989 og utviklet GPS-produkter for blant annet luftfart. Selskapet utvidet senere til maritim navigasjon, bil, friluftsliv og trening. Det har også satset på kunder i India, uten at dette utgjør hele den globale strategien.

3. Abbott Laboratories

Abbott utvikler medisinsk utstyr, blant annet FreeStyle Libre-systemene for glukosemåling. En sensor på overarmen måler glukose i vevsvæsken, ikke direkte i blodet. Funksjonene varierer med modell og marked. Artikkelen oppgir over fem millioner brukere globalt på det aktuelle tidspunktet.

Abbott har også virksomhet innen blant annet hjertebehandling, diagnostikk og ernæring. Artikkelens markedseksempel fra 2024 oppga en markedsverdi på 193,62 milliarder dollar og aksjekurs på 111,56 dollar, opp 1,53 % siden årsskiftet. Omsetning de siste tolv månedene var 40,10 milliarder dollar, resultat per aksje 3,27 dollar og P/E 34,10. Tallene er historiske og endres over tid.

4. BioTelemetry

BioTelemetry, som er del av Philips, leverer systemer for medisinsk fjernovervåking, blant annet kroppsbårne sensorer for hjerterytme. Philips kunngjorde kjøpet for omtrent 2,8 milliarder dollar i desember 2020 og fullførte det i februar 2021.

Konklusjon

Markedet for kroppsbåren teknologi forventes å vokse. Artikkelen viser til en prognose på over 118 milliarder dollar i 2026. Dette var et anslag, ikke en sikker eller allerede realisert markedsstørrelse. Produktene omfatter mange bruksområder fra trening til underholdning.

Bedre sensorer og strømforsyninger kan utvide bruksområdene, men kravene varierer mellom forbrukerelektronikk og medisinske implantater. Batteriets levetid er én av flere tekniske utfordringer.

Studien av natrium–oksygen-batteriet viste tidlige resultater i rotter. Den dokumenterte verken en ferdig strømforsyning for smartklokker eller kreftbehandling hos mennesker. Videre forskning må vise om teknologien kan gi tilstrekkelig effekt og trygg, langvarig drift i relevante implantater.

Se vår oversikt over selskaper innen kroppsbåren helseovervåking.