Kan interna batterier driva nästa generations wearables och till och med bekämpa cancer?

Bärbar teknik har omformat våra dagliga liv under en tid nu, och den kommer bara att växa härifrån, vilket bevisas av marknaden för bärbara enheter som värderades till 61,30 miljarder dollar år 2022. Enbart det året levererades mer än 490 miljoner bärbara enheter till konsumenterna. 

Drivna av innovation har wearables format trender som spänner över industrier från miljömässig hållbarhet till sjukvård, där sådan elektronik har transformerat hälsomonitorering, terapier, sjukdomsdiagnostik och sårläkning. För att fungera pålitligt förlitar sig dessa enheter på batterier som inte bara är biokompatibla utan också har tillräcklig kapacitet.

Majoriteten av implanterbara enheter drivs av traditionella batterier som Ag-Zn (Silver‑Zink) och Li-I2 (Litiumjod) batterier. Dessa konventionella batterier har dock begränsad kapacitet och utgör en säkerhetsrisk på grund av läckage av organisk elektrolyt.  

Förseglade och använda för att driva implanterbara enheter är kapaciteten hos Ag‑Zn‑ och Li‑I2‑batterier begränsad av deras massa, vilket begränsar deras livslängd. Det är här en ny studie föreslår att man utnyttjar komponenter som levande organismer naturligt innehåller. Dessa komponenter inkluderar svett, enzymer, glukos och löst syre, som kan användas som kontinuerliga energikällor för batterier.

Att använda aktiva komponenter som O2 och glukos som katoder/anoder som kan erhållas kontinuerligt genom metabolism visar god elektrolytisk prestanda både in vitro och in vivo. 

Publicerad i Cell Press föreslår studien metall‑O2‑batterier, som kommer att använda O2 som en aktiv komponent i katoden och monteras med en metallisk anod. På så sätt kommer de att erbjuda extremt höga energitätheter som är 5 till 10 gånger högre än de för närvarande tillgängliga implanterbara batterierna. 

Teoretiskt sett erbjuder Li‑O2‑ och natrium‑syre (Na‑O2)-batterier olika energitätheter på respektive 3 458 och 1 605 Wh/kg. Dessa siffror överstiger vida de för nuvarande litium‑jonbatterier.

Studien utfördes av Yang Lv, Xizheng Liu, Jiucong Liu och Yi Ding, som alla är knutna till Laboratoriet för avancerade funktionella porösa material, Institutet för nya energimaterial & lågkoldioxidteknologier, Skolan för materialvetenskap och ingenjörskonst, Tianjin University of Technology, Kina. 

Andra forskare inkluderade Shuang Wu och Pingli Wu från College of Chemistry and Materials Science, Institute of Life Science and Green Development, Hebei University, Kina; Shuangyong Sun från School of Pharmacy, Tianjin Medical University; och Yonggang Wang från Department of Chemistry och Shanghai Key Laboratory of Molecular Catalysis and Innovative Materials, Institute of New Energy, iChEM, Fudan University, Kina.

Studien fick finansiellt stöd från National Natural Science Foundation of China, National Key Research and Development Program of China och National Science Fund for Distinguished Young Scholars.

Implanterbart och biokompatibelt Na‑O2‑batteri

Syre är avgörande för livet och allestädes närvarande i levande vävnader. På samma sätt är natrium, ett annat väsentligt element, vida förekommande i våra kroppar i form av Na+. Denna allestädesnärvaro gör metall‑O2‑batterier till ett lovande alternativ för ständigt påfyllande energikällor. 

Medan natrium har utvecklats som en lovande anod för uppladdningsbara batterier, har Na‑O2‑batterier varit särskilt populära på grund av deras låga kostnad, höga teoretiska energitätheter och potential för användning i smarta nät och bärbar elektronik. Dessutom kan urladdningsprodukten från Na‑O2‑batterier lätt metaboliseras i lever och njurar, vilket ökar deras attraktionskraft.

På så sätt kan Na‑O2‑batterier uppfylla kraven på kontinuerlig tillgång till råmaterial samt in vivo‑produktmetabolism.

Som sådan är detta inte första gången forskare fokuserar på Na‑O2‑batterier. År 2018 en studie noterade deras potential tack vare deras höga teoretiska energitäthet och rikliga resurser, samtidigt som den påpekade deras tröga kinetik på grund av bildandet av stora urladdningsprodukter med kubiska eller oregelbundna partikelformer. 

En annan artikel av Hossein Yadegari och Xueliang Sun från Department of Mechanical and Materials Engineering vid University of Western Ontario noterade att Na‑O2‑batterier har framträtt som ett energieffektivt alternativ till Li‑O2‑batterier. De förlitar sig på reversibel superoxidkemi, där deras celler visar lägre överpotential vid laddning jämfört med sina Li‑motsvarigheter, vilket kan översättas till hög cykelprestanda. 

Dock påpekade den att interaktionen mellan jonparet är otillräcklig för att förhindra den nukleofila attacken av O2 mot cellens elektrolyt. Dessutom utgör den inneboende stabiliteten hos NaO2 och den högre kemiska reaktiviteten hos metalliskt Na utmaningar i utvecklingen av Na‑O2‑batterier. Även om det finns relativt få rapporter om dessa batterier, understryker de betydande potentiella fördelarna med implanterbara metall‑O2‑batterier vikten av att hantera de befintliga utmaningarna.

Den senaste studien betonar nödvändigheten av att batterier som används in vivo har en öppen arkitektur, vilket säkerställer adsorption av O2 från kroppsvätskorna. Vidare understryker den vikten av att välja batterikomponenter som uppvisar god biokompatibilitet för att undvika avstötning och reaktioner. Dessutom, på grund av sin höga reaktivitet, måste den Na‑baserade anoden vara väl skyddad. Batteridesignen måste dessutom vara flexibel för att möjliggöra stabil och intim kontakt med mjuk vävnad.

Som ett resultat föreslår teamet en ny Na‑O2‑batteridesign som använder en stabil Na‑baserad legering (NaGaSn) som anod (där elektriciteten kommer in) och en nanoporerad guld (NPG) katod (där elektriciteten flödar ut), separerade av ett jonutbytesmembran (Nafion).

Istället för att använda rent metalliskt Na valde forskarna en NaGaSn‑ternärlegering för att förbättra säkerhets- och korrosionsskyddsegenskaper i levande organismer. Samtidigt användes NPG som katod i metall‑luft‑batterier för syrereduktionsreaktionen. Under urladdning levereras O2 kontinuerligt från kroppsvätskor och reduceras via NPG‑katalys. 

Lovande resultat, potentiella tillämpningar 

När implanterbar elektronik får ökad uppmärksamhet på grund av dess potential att revolutionera personlig hälsomonitorering och precisionsbehandling, ökar vikten av implanterbara batterier i motsvarande grad. Här kan användning av aktiva komponenter från levande organismer erbjuda långsiktiga energikällor, vilket minskar behovet av att upprepade gånger byta batterier genom kirurgiska ingrepp och ger en mer hållbar långsiktig lösning. 

Studien utvecklade framgångsrikt ett implanterbart och biokompatibelt Na‑O2‑batteri med en öppen katodstruktur som fungerar smidigt. På råttor uppnådde det laminerade batteriet en effekt­densitet på 2,6 μW/cm² vid 1,3 V, vilket visar utmärkt biokompatibilitet in vivo. 

Resultaten visade ingen betydande inflammation runt de implanterade batterierna. Dessutom regenereras kapillärer väl runt katoden, vilket ger en kontinuerlig källa av O2 för batteriet.

Samtidigt möjliggjorde NPG‑katodkatalysatorn att batteriet uppnådde utmärkt stabilitet, vilket studien sade gör NPG till det ”oundvikliga valet” som katod för Na‑O2‑batteriet. Den elektrospunna PLCL‑membranen hjälpte till att förbättra biokompatibiliteten, och membranens porösa struktur, som fungerar som kanaler för transport av massa och elektrolyt, möjliggjorde permeation av kroppsvätska och diffusion av O2.

När det gäller Na+‑ och OH−‑joner som produceras under urladdningsprocessen, gick de in i blodet utan att orsaka elektrolytstörningar, och deras metabolism i kroppen resulterade inte i några avvikelser i lever och njurar. 

Studieresultaten visade också lovande potential som energikälla för att driva mikro‑implanterbar elektronik. Dessutom belyser konsumtionen av O2 från kroppsvätskor Na‑O2‑batteriets potentiella tillämpningar inom biologisk och medicinsk forskning. Enligt studien:

“Vårt Na‑O2‑batteri revolutionerar konceptet med implanterbara batterier, konsumtionen av O2 under urladdning resulterar i en deoxygeneringsfunktion, vilket också erbjuder ett nytt sätt att kombinera bioelektroniska implantat och bioterapi mot sjukdomar associerade med anaeroba miljöer.” 

Således har Na‑O2‑batteriet tydligt stor potential, men det är inte begränsat till att bara driva wearables; det kan även ha mycket bredare användning, inklusive cancerapplikationer och övervakning av sårläkning.

Studien noterade vidare att senil demens och cancer är nära relaterade till syrenivåer i de relevanta vävnaderna. Ett nyligen rapporterat självuppladdande saltvattensbatteri för antitumörterapi genom att konsumera O2 öppnar ett nytt sätt att kombinera bioelektroniska implantat och bioterapi.

Att exakt kontrollera O2‑koncentrationen i det nuvarande batteriet visar potentiella terapeutiska möjligheter mot sjukdomar orsakade av syreansamling eller patogena bakterier. Dessutom kan katalysatorerna i katoden hos Na‑O2‑batterier reducera superoxidradikaler som orsakar senil demens, vilket också framhäver dess potentiella tillämpningar inom dessa områden.

Så, även om många utmaningar fortfarande måste hanteras, är Na‑O2‑batteriet (Natrium‑Syre) ”mycket lovande och kan tända en ny revolution inom området för implanterbara enheter, vilket leder till utvecklingen av nya metoder för behandling av olika sjukdomar”, enligt studien.

Klicka här för att lära dig om nästa generations kreativa wearables – Thermal Earrings

Biotekniska bärbara lösningar under utveckling  

Bärbar teknik handlar främst om elektroniska enheter som bärs på kroppen för att övervaka mätvärden. Idag driver dessa enheter en rad industrier framåt, från medicin, sport och fintech till tillverkning och mer.

Inom sportindustrin ger bärbara enheter idrottare realtidsdata och återkoppling på deras prestation. Smarta solglasögon, skor och kläder använder sensorer för att spåra och övervaka hjärtfrekvens, steg och fysisk aktivitet, bland många andra mätvärden. Denna information kan sedan användas för att förbättra specifika områden och justera tränings- och träningsplaner därefter. 

Inom tillverkningssektorn hjälper dessa enheter till att säkerställa arbetsplatssäkerhet genom att tillhandahålla realtidsvarningar och information om potentiellt farliga situationer. Samtidigt, genom att spåra arbetstagares effektivitet och produktivitet, hjälper de till att identifiera förbättringsområden och göra lämpliga justeringar i arbetsflöden.

Det är dock inom sjukvårdsindustrin som bärbar teknik via enheter som smartklockor, fitness‑trackers, biosensorer, blodtrycksmätare och elektrokardiogram (EKG)‑monitorer verkligen förändrar spelplanen. 

Wearables gör det möjligt för användare att samla in sina egna hälsodata och, baserat på dem, vidta åtgärder. Hälso‑ och sjukvårdspersonal kan mildra livshotande situationer genom realtidsövervakning av patienter, vilket underlättas av wearables. 

Dessa enheter spårar och övervakar vitala tecken och hälsodata, vilket möjliggör för läkare och vårdgivare att upptäcka potentiella hälsoproblem och sedan ge snabba insatser. De ger också forskare och läkare värdefulla insikter för att driva klinisk forskning framåt och utveckla nya terapier och behandlingar.

Samtidigt kan leverantörer och försäkringsbolag använda dessa enheter för att erbjuda mer exakta och personliga hälsoplaner. Organisationer använder dem också för att uppmuntra hälsosamma vanor bland anställda.

Inom biotekniksektorn möjliggör wearables icke‑invasiv övervakning av fysiologisk status samt sjukdomstillstånd och toxinexponering. De kan vara till stor hjälp inom precisionsmedicin genom att låta forskare och vetenskapsmän identifiera potentiella biverkningar. Dessutom ger wearables insikter i miljöförhållanden, såsom temperatur och luftkvalitet, för att studera deras effekter på biologiska system. 

Låt oss nu titta på några företag som utvecklar bärbara lösningar. 

#1. Google‑förvärvade Fitbit 

Detta är ett ganska välkänt namn inom wearables‑industrin för sina fitness‑trackers som övervakar olika hälsomått såsom aktivitetsnivåer, hjärtfrekvens och sömnmönster. Det erbjuder dessutom en coachningsplattform som tillhandahåller lösningar för forskare, sjukvårdssystem och företagsvälbefinnande. Fitbit fokuserar främst på konsumentfitness och har samarbetat med hälsoföretag.

Tidigare i år samarbetade Googles Fitbit med laboratorietestföretaget Quest Diagnostics (DGX ) för att studera hur bärbar teknik kan förbättra metabolisk hälsa och eventuellt förebygga sjukdomar såsom stroke, diabetes och demens, bland annat. Ett annat samarbete var med ViviHealth för prediktiv och föreskrivande analys för att omvandla beteendehälsocenter.

Google är ett företag med ett börsvärde på 1,9 biljoner dollar och aktien handlas till 153,16 $, upp 9,5 % år till datum. Företagets intäkter (TTM) har varit 307,39 miljarder $, EPS (TTM) på 5,80 och P/E (TTM) på 26,41.

#2. Garmin 

Företaget tillverkar bärbara enheter för träningsaktiviteter med funktioner för att övervaka hjärtfrekvens, stressnivåer och även pulsoximetri. Dess Venu‑serie spårar kroppsmönster och sömnkvalitet och kan paras med Android‑ och Apple (AAPL ) ‑smartphones för extra bekvämlighet. Genom sina enheter hjälper Garmin användare att upprätthålla hälsomål och syftar till att förbättra samhällets övergripande hälsa, främja välbefinnande och minska sjukvårdskonsumtionen.

Företaget startade för tre decennier sedan med sina banbrytande GPS‑navigationsprodukter för flygindustrin, för att sedan expandera till marina, bil-, frilufts‑ och fitnessmarknaderna. Dess nuvarande fokus är att expandera på den indiska marknaden och fånga den växande ‘medelklass’-konsumentbasen.

#3. Abbott Laboratories

Företaget utvecklar olika medicinska enheter, inklusive bärbar teknik. Detta inkluderar FreeStyle Libre, en liten cirkulär sensor som fästs på överarmen och ger realtidsavläsningar av glukos för personer med diabetes för att hjälpa dem att hantera sitt tillstånd mer effektivt. Den marknadsledande bärbara glukossensorn har över 5 miljoner användare världen över.

Förutom diabetes erbjuder det Illinois‑baserade företaget även tjänster inom fysisk rörelse och kardiologi. Med ett börsvärde på 193,62 miljarder dollar handlas företagets aktier till 111,56 $, upp 1,53 % år till datum. Företagets intäkter (TTM) har varit 40,10 miljarder $, EPS (TTM) på 3,27 och P/E (TTM) på 34,10.

#4. BioTelemetry Inc. 

Nu en del av Philips, tillhandahåller BioTelemetry fjärrmedicinska övervakningssystem, inklusive bärbara enheter för hjärtövervakning. Dessa bärbara sensorer spårar hjärtrytmavvikelser och andra kardiologiska mätvärden i realtid. Sent 2020 förvärvade Philips BioTelemetry i en affär värd 2,8 miljarder dollar.

Slutsats

Marknaden för bärbar teknik blomstrar och är förväntad att överstiga 118 miljarder dollar senast 2026. Trots allt går wearables in i en rad olika industrier, från fitness, utbildning och underhållning till resor och mode. 

Dock, med ökande hälsobekymmer, skapar wearables särskilt en betydande inverkan på våra vanor, hälsa och liv. Även om dessa enheter blir alltmer sofistikerade, är batteriproblemet något som måste lösas. 

Som vi kan se här pågår studier för att förlänga wearables livslängd och hjälpa dem bekämpa sjukdomar som cancer. I framtiden kommer tekniska framsteg och forskning att göra wearables ännu bättre på att erbjuda personlig vård och avsevärt förbättra patientresultat.

Klicka här för en lista över de främsta bärbara hälsospårningsföretagen att investera i.