Table of Contents

Актуални проблеми с батериите в изкуствените системи за панкреас

Изкуствените системи за панкреаса . Тези системи автоматизират управлението на диабет тип 1. Тези системи автоматично намаляват тежестта на постоянно вземане на решения. И все пак постоянното ограничаване подкопава тяхното обещание: батерията. Силата на силата често пренареждане, създават неточности и добавят допълнителен слой поддръжка, който противоречи на целта за намаляване на когнитивното натоварване.

Изкуственият панкреас привлича значителна мощност, за да изпълнява няколко задачи едновременно. CGM сензорът трябва да взема проби от нивата на глюкозата в нетрезво състояние на течностите на всеки един до пет минути. Контролният алгоритъм го прави независимо дали е пропорционално-интегрална-производни (ПИД) контролер, моделен прогностичен контрол (MPC), или мъхеста логическа система . Трябва да се изчисли оптимална доза инсулин в реално време. Моторът инсулин помпа трябва да се активира точно, често доставя микродози като малки като 0.05 единици. И устройството трябва да поддържа безжична комуникация чрез Bluetooth ниска енергия (BLE) или близо поле комуникация (NFC) с смартфон или специален контролер. Всяка от тези функции консумира енергия, и тяхното комбинираното равенство поставя постоянно налягане върху батерията.

Повечето съвременни изкуствени панкреасни устройства разчитат на малки литиево-йонни акумулаторни батерии. Докато тези клетки са се подобрили постоянно през последното десетилетие, те все още представляват няколко практически пречки:

  • Дневни или всеки ден цикли на презареждане: Много потребители трябва да зареждат помпата или контролера си на всеки 24 до 48 часа. Това прекъсва съня, изисква носене на зарядни аксесоари и добавя повтаряща се работа към устройство, което да опрости живота. За система, предназначена да автоматизира доставката на инсулин, необходимостта от ръчно управление на мощността се чувства като стъпка назад.
  • Разпад на капацитета с течение на времето: Стандартно литиево-йонни батерии губят използваем капацитет с всеки цикъл на зареждане. След 12 до 24 месеца редовна употреба, помпата батерия може да задържа само 70 до 80 процента от първоначалния си заряд. Това означава по-кратък период на движение и в крайна сметка необходимостта от скъпо устройство замяна или обслужване на батерията. Потребителите на многогодишни гаранции за помпа често изпитват забележим спад на батерията преди устройството да достигне очакваното си продължителност на живот.
  • Безопасни рискове от неочаквана загуба на мощност:[ Когато батерията се изтощава неочаквано, особено в неподходящ момент или по време на пътуване, устройството спира да доставя инсулин. В резултат на това хипогликемията може да бъде тежка, особено при деца или лица с хипогликемия неподготвена. Докато съществуват аларми и ниско-батерни предупреждения, те не винаги са чути или вслушани. Мъртва батерия в грешното време може да доведе до спешни посещения на отдели или диабетна кетоацидоза.
  • Формични ограничения: Изкуствените панкреасни устройства трябва да останат компактни, олекнати и удобни за непрекъснато износване и прикрепени към тялото чрез лепило или износени в торбичка. По-големите батерии биха осигурили повече капацитет, но биха увеличили обемното тегло. Производителите трябва да постигнат труден баланс между мощност, размер и износимост.
  • Температура чувствителност: Литиевите батерии се изпълняват зле при ниски температури и могат да прегряват по време на бързо зареждане. Потребителите, които живеят в студен климат или които участват в зимни спортове могат да видят значително намален живот на батерията. Обратно, оставяйки устройство в гореща кола може трайно да повреди клетката.

Тези предизвикателства подчертават спешната нужда от иновации от източник на енергия, които удължават експлоатационния живот, ускоряват зареждането, подобряват надеждността и поддържат факторите за малка форма, необходими за износоспособни медицински изделия. Добрата новина е, че технологията на батериите напредва бързо, с няколко обещаващи решения на хоризонта.

Засилване на батериите технологии и техния потенциал

Изследователите и производителите разработват източници на енергия от следващо поколение, които са специално подходящи за нуждите на медицинските устройства. Тези технологии са насочени към по-висока енергийна плътност, по-бързо зареждане, по-голяма безопасност и по-дълъг живот на цикъла, всеки от които може директно да се възползват от изкуствените потребители на панкреаса.

Твърди държавни батерии: скок в енергийната плътност и безопасност

Твърди батерии заменят течен или полимерен гел електролит в конвенционалните литиево-йонни клетки с твърдо електролитно вещество обикновено керамичен, стъклен или твърд полимерен материал. Тази основна структурна промяна отключва няколко трансформиращи предимства:

  • По-висока енергийна плътност: Твърдите електролити позволяват безопасна употреба на литиеви метални аноди, които могат да съхраняват значително повече енергия на единица обем от графитните аноди, използвани в текущите литиево-йонни клетки. Лабораторните прототипи са демонстрирали енергийни плътности от 400 до 700 ват-часа на литър (Wh/L), в сравнение с около 250 Wh/L за стандартни литиево-йонни устройства. За изкуствени панкреасни устройства, това може да означава два до три пъти по-често време на движение в едно и също физическо нетно време, което се извършва до пет до седем дни между зарядите, отколкото един до два.
  • Подобрен профил на безопасност: Твърдите електролити не са запалителни и устойчиви на топлинната беглец, критично предимство за устройство, което се носи директно върху тялото. Рискът от пожар или експлозия на батерията, макар и ниско в текущите устройства, се елиминира изцяло със солидни дизайни. Този марж на безопасност е особено важен за нощната употреба, когато потребителят може да не забележи проблем, докато не стане сериозен.
  • Изключителен живот на цикъла: Твърди батерии се съпротивляват дендрит формация . Растежът на малки метални нишки, които могат да пробият разделител и късо съединение конвенционални батерии. Те също страдат по-малко капацитет избледняват по време на повтарящи се цикли на зареждане. Някои прототипи са демонстрирали повече от 2000 цикъла с минимална деградация, което означава, че батерията може да поддържа своята ефективност за целия жизнен цикъл на устройството (обикновено три до четири години).
  • Способност за бързо зареждане: Някои твърди електролитни химици се настаняват бързо зареждане без прегряване или загуба на капацитет. Потребителите биха могли потенциално да заредят помпата си до 80 процента за 15 до 20 минути.

Компании като QuantumScape, Solid Power и Toyota работят за комерсиализиране на батериите на твърдо състояние за електрически превозни средства и потребителска електроника. Версията на медицинското устройство вероятно ще се следва в рамките на следващите три до пет години. За потребителите на изкуствени панкреас, твърдите технологии представляват може би най-влиятелната иновация на батерията в близкосрочен хоризонт.

Разширени литиево-йонни химии с бързи забързани възможности

Докато твърдите батерии предлагат дългосрочен потенциал, на пазара вече навлизат допълнителни подобрения в конвенционалната литиево-йонна химия. Те включват нови електродни материали, които позволяват драстично по-бързо зареждане без да се жертва енергийната плътност или цикъл живот:

  • Силиконови аноди: Замяна на графит със силиций в анода може да увеличи енергийната плътност с 20 до 40 процента, защото силиконът може да съхранява до десет пъти повече литиеви йони на единица маса. Обаче чист силиций се разширява значително по време на зареждане, причинявайки механичен стрес. Изследователите са разработили наноструктурирани силиконови композити и силикон-графитни смеси, които смекчават това разширение, произвеждайки аноди, които предлагат както висок капацитет, така и дълъг живот в цикъла. Компании като Sila Nanotechnologies и Amprius са започнали комерсиализирането на силикон-анодетни батерии за износни и медицински устройства.
  • Ниобиев волфрам оксид аноди: Този материал, разработен от Тошиба и други, позволява литиеви йони да се движат през електрода с изключително висока скорост. Резултатът е батерия, която може да достигне 80% зареждане в рамките на 10 минути, като същевременно поддържа цикъл живот от 1000 цикъла или повече. За изкуствените потребители на панкреаса, това означава кратко зареждане сесия може да осигури пълен ден на работа.
  • Литиевият железен фосфат (LFP) катоди:[ Докато батериите на LFP имат по-ниска енергийна плътност от химията на никелова основа, те предлагат по-висока топлинна стабилност и много по-дълъг живот на цикъла, който надвишава 2000 цикъла. За устройство, което трябва да работи надеждно в продължение на години, изтъргуването на енергийната плътност е приемливо, ако батерията може да се презарежда ежедневно без да се деградира.

Тези напреднали варианти на литий-йон не са спекулативни; те вече са интегрирани в потребителска електроника и медицински устройства. Приемането им в изкуствени панкреасни системи може да започне в рамките на следващите 12 до 24 месеца, предлагайки на потребителите по-бързо презареждане и по-дълъг живот на устройството, без да се изисква пълна промяна в архитектурата на батериите.

Безжичен пренос на енергия и безконтактен пренос на енергия

Безжичното зареждане се е превърнало в стандарт в смартфони и смарт-нор, но приложението му към инсулинови помпи и изкуствени контролери на панкреаса все още се разширява. Индуктивно зареждане . Който използва електромагнитни полета за прехвърляне на енергия между зарядна подложка и приемник на бобина .

  • Влагозащитено и трайност:[ Премахването на портовете за физическо зареждане позволява на производителите да запечатат напълно устройството.Това позволява пълна защита от потапяне (IP68 или по-добра), позволява на потребителите да плуват, да се къпят или къпят без да се отстранява помпата или да се притесняват за повреда във водата в порта за зареждане.
  • Изработени точки механична недостатъчност:[ Физическите конектори са сред най-често срещаните точки на неизправност в преносимата електроника. Премахването им подобрява дългосрочната надеждност и намалява необходимостта от обслужване или замяна.
  • Споразумение и лекота на използване:[ Потребителите могат просто да поставят помпата си или контролера си на надуваема нощна смяна, по време на хранене или докато на бюро, без да се търкалят с кабели или подравняване на накрайници.

Резонантно индуктивно свързване може да прехвърли мощност на разстояние от няколко сантиметра, докато радиочестотата (RF) събиране на енергия може да улови околната електромагнитна енергия от източници като Wi-Fi или специални предаватели. В бъдеще, предавател, вграден в леглото на потребителя, облекло, или превозно средство може автоматично да зареди устройството, когато е наблизо, като премахне необходимостта от съзнателно презареждане напълно.

Някои изкуствени панкреасни устройства вече включват безжично зареждане. Tandem Mobi, освободен през 2024 г., разполага с безжичен заряден случай, който удължава живота на батерията и опростява зареждането. Тъй като технологията узрее, безжичен пренос на енергия вероятно ще се превърне в стандартна функция във всички затворени системи.

Технологии за добив на енергия

Може би най-интригуващото средство за удължаване на живота на батерията е извличането на енергия от собственото тяло или среда на потребителя.

  • Термоелектрически генератори (TEG): Тези твърди-държави устройства преобразуват температурните разлики между кожата (приблизително 32 .34°C) и околния въздух в електрическата енергия чрез ефекта Seebeck. Дори малък градиент от 1 .3°C може да генерира микроватове в миливатове на непрекъсната мощност. Докато TEG не може напълно да захранва изкуствен панкреас, тя може да допълни първичната батерия с 10 до 20%, като се удължава времето за движение с няколко часа между зарядите. Гъвкави TEG, които съответстват на кожата се разработват в институции като института Fraunhofer и Университета в Токио.
  • Пиезоелектрични жътвари: Движението на тялото . Ходене, разтягане, дишане .Създаване на механичен стрес, че пиезоелектрически материали могат да се превърнат в електрическа енергия. тънък пиезоелектричен филм, интегриран в жилището на помпата или носен като отделен пластир може да улови част от енергията, необходима за работа. Изследователите в Университета на Уисконсин-Мадисон са демонстрирали пиезоелектрични жътвари, които генерират достатъчно енергия, за да се работи с непрекъснат глюкозен монитор за кратки периоди.
  • Биогориво клетки: Тези устройства използват ензими или микроби, за да катализира окислението на глюкоза или други метаболити в телесни течности, генериращи електричество. Концепцията е особено елегантна за диабетни устройства: същата глюкоза изкуствения панкреас помага да се регулира може да захранва самата система. Докато биогориво клетки остават на изследователския етап, групи в MIT и Университета на Калифорния, Сан Диего са демонстрирали прототипи, които произвеждат стабилна енергия в продължение на седмици в лабораторни условия. A 2023 проучване в Биосензори и биоелектроника докладва за глюкозна биотехнологична клетка, която генерира 0.3 mW/cm2 .
  • Слънчеви клетки:[ За устройства, носени върху тялото, гъвкави, нисколеки фотоволтаични клетки могат да събират енергия от околната среда вътре и навън светлина. Докато мощност е скромен, тя може да допълни батерията в будни часове, намаляване на нетния енергиен поток.

Въпреки това, тъй като ефективността на компонентите подобрява и консумацията на енергия на изкуствената панкреасна електроника продължава да пада (благодарение на напредъка в нискомощни микроконтролери и BLE чипове), набраната енергия може да покрие все по-голяма част от нуждите на устройството. Целта не е да се елиминира батерията, а да се намали честотата на повторно засичане и да се намали до веднъж седмично или по-малко.

Сравнителен анализ на батерии технологии за медицински устройства

За да се оценят тези иновации рамо до рамо, разгледайте ключови показатели за ефективност, свързани с приложения на изкуствени панкреас. Следващата таблица сравнява текущите и нововъзникващи технологии, базирани на публикувани изследвания и съобщения в индустрията. Ценностите са илюстративни и представляват разумни прогнози за прилагане на медицинско устройство-клас:

[F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F]] [F] [F] [F]] [F]] [F]] [F]] [F]] [F...] [F...]] [F]] [F]] [F] [F] [F] [F...] [F]] [F] [F]] [F]] [F] [F]] [F...]] [FFLt:] [FLt:] [FLT:] [FL:] [Flt] [Flt] [Flt] [FL:] [FLL:] [FLLLL:L:]] [Fylll Life (cess [F:14]] [FFF:] [FFLL:] [Ftttttt: [F: [FF: [FFF: [Fttttt: [FF: [F: [FF [F [ [FFF да се постигне едно до две седмици на работно време с минимална потребителска интервенция.

Клинични и практически ползи от подобрен живот на батерията

Предимствата на по-добрата технология на батерията се простират отвъд удобството. Разширено време на работа, по-бързо зареждане и по-голяма надеждност пряко засягат клиничните резултати и качеството на живот на хората с диабет.

Намаляване на терапевтичните прекъсвания и подобряване на резултатите от гликемичната терапия

Когато изкуствен панкреас губи мощност, инсулин спира. Потребителите трябва да реагират чрез замяна на батерии, намиране на зарядно устройство, или преминаване към резервен режим на множество дневни инжекции и ръчно следене на глюкозата. Дори 30-минутно прекъсване може да предизвика повишаване на кръвната глюкоза в хипергликемичен диапазон, особено ако потребителят спи или по друг начин не може да отговори бързо. С течение на времето, повтарящи се прекъсвания допринасят за по-високи средни нива на глюкоза и повишена гликемична променливост и двата рискови фактора за диабет усложнения.

Удължен живот на батерията . Три до седем дни между такси .Драматично намалява честотата на тези рискови пропуски. Потребителите могат да пътуват, присъстват на дълги събития, или просто да забравят да таксуват без последствия. Твърдите състояние или високо качество силикон-анодни батерии могат да позволят устройства да работят за цяла седмица, което означава, че потребителите трябва да мислят за зареждане само веднъж седмично, а не дневно.

Повишаване на придържането към потребителите и качеството на живот

Проучванията на потребителите постоянно определят живота на батерията сред най-големите опасения за помпените инсулини. A 2022 проучване в Journal of Diabetes Science and Technology съобщава, че 68 процента от потребителите на помпата биха предпочели устройство, което изисква зареждане по-малко от веднъж седмично (]сорс). Друго проучване от T1D Exchange установи, че проблемите, свързани с батерията, са сред най-често срещаните причини за прекъсване на помпата, наред с реакциите на инфузиите.

Чрез справяне с точката на болка на батерията, производителите могат да подобрят удовлетвореността на потребителя и да намалят риска от "помпата изгаря" явлението, в което потребителите изоставят терапията на базата на устройството поради натрупаните разочарования.

Включване на по-малки и по-удобни дизайни на устройства

По-висока енергийна плътност в твърдо състояние или силикон-анод батерии означава по-малка клетка може да достави същия капацитет като по-голям литиево-йонен модул. Това позволява на дизайнерите на помпи да свиете общия отпечатък на устройството или да използвате свободното пространство за допълнителни функции, като по-големи резервоари за инсулин, излишни електроника, или подобрени сензори. По-малките помпи са особено привлекателни за деца потребители, активни възрастни, и тези, които предпочитат дискретност.

Безжичното зареждане допълнително намалява размера на устройството чрез премахване на порта за зареждане и свързаните с него уплътняващи структури. Помпа с безжично зареждане може да бъде по-тънка и по-рационална от тази с физически конектор, и тя може да бъде напълно запечатана срещу вода . .

Подкрепа за усъвършенствани функции за безопасност

По-голяма мощност позволява изкуствените панкреасни системи да включват излишни функции за безопасност без да се компрометира живота на батерията. Те включват резервни процесори, които могат да поемат, ако основният процесор не успее, допълнителни сензорни канали за откриване на грешки, и по-чести алгоритми проверки за осигуряване на целостта на цикъла. С изобилие от мощност, системата може да работи по-сложни алгоритми . Като модел за контрол на прогнозирането, че изглежда часа напред . Без да се притеснявате за отточни батерии.

Подобреният живот на цикъла означава също, че батерията е по-малко вероятно да се провали неочаквано в края на експлоатационния живот на устройството.

Текущи приложения и насоки за научни изследвания

Производителите на медицински изделия и академични изследователски групи вече действат върху тези иновации. Няколко устройства на пазара или в късна фаза на развитие включват елементи от описаните по-горе технологии:

  • Tandem Diabetes Care освободи Tandem Mobi през 2024 г., малка, безтръбна помпа, която използва безжичен заряден случай. Докато помпата все още изисква ежедневно зареждане, безжичният калъф опростява процеса и позволява напълно водоустойчива работа ([ Tandem Mobi продуктова страница).
  • Insulet Corporation актуализира своята Omnipod 5 система за подпомагане на безжичното зареждане в контролера, а компанията заяви, че бъдещите подводни дизайни ще включват батерии с по-висок капацитет ([Омнипод 5 преглед).
  • Медтронен диабет инвестира в изследване на твърдо състояние на батерията чрез партньорството си с QuantumScape, с цел интегриране на технологията в бъдещите помпени системи. Очаква се клиничните изпитвания на прототип, захранван от твърдо състояние, да започнат до 2027 г.
  • Академични изследвания:[ Екипи в университета в Кеймбридж и Станфордския университет разработват твърди батерии специално за имплантируеми медицински изделия. 2024 г. хартия от Кеймбридж демонстрира твърдо-държавна клетка, която поддържа 95 процента капацитет след 1500 цикъла при телесна температура ([Камбриджова актуализация на изследванията).
  • Правителство финансиране: Американските национални здравни институти (NIH) са дали възможност за финансиране PAR-23-123, специално насочени към "самозахранващи се постоянни глюкозни монитори и системи за доставка на инсулин." Програмата насърчава развитието на енергоемки и високо-плътни технологии за батерии за диабетни устройства (NIH PAR-23-123).

Тези усилия показват, че индустрията признава производителността на батериите като критичен диференциатор и инвестира съответно. Следващото поколение изкуствени панкреасни устройства почти сигурно ще се отличават със значителни подобрения в управлението на енергията.

Бъдещият поглед към напълно автономни системи

Дългосрочната визия за изкуствената панкреасна технология е напълно имплантируема, затворена система, която изисква минимално внимание на потребителя. Такова устройство може да бъде имплантирано под кожата, като резервоарът за инсулин се пълни през инжекцията на всеки няколко месеца, а батерията се презарежда безжично или изобщо не, ако енергийното набиране осигурява достатъчна мощност. Докато тази визия остава на години, настоящите иновации на батерията се зареждат с помощта на земята.

В близкия срок (2025 .02.07) потребителите могат да очакват търговски изкуствени панкреасни устройства със силиконово-анод или LFP батерии, които работят в продължение на три до пет дни между таксите, съчетани с безжично зареждане, което прави процеса на пренатоварване без усилие. До 2028.2030, твърди-щатните батерии могат да продължат да работят до една до две седмици, и енергийните добавки могат да добавят още 20 до 30 процента. За деца, възрастни и доставчици на здравни услуги, тези подобрения означават по-малко време управление на мощността на устройството и повече време свободно живот на мощна технология, която вече спасява животи.

Тъй като изследванията на батериите ускоряват и произвеждат везни, цената на тези напреднали клетки ще намалее, което ще ги направи достъпни в по-широк спектър от устройства. Изкуственият панкреас ще продължи да се развива от полезен, но изискващ инструмент в една наистина автономна система, която избледнява на заден план и позволява на потребителите да се фокусират върху останалата част от живота си. За оценените 8,4 милиона души по целия свят с диабет тип 1, които разчитат на инсулинова терапия, тази трансформация не може да дойде достатъчно скоро.

Иновациите, описани тук, не са спекулативни фантазии. Те се разработват, тестват и комерсиализират в реално време. Единственият въпрос е колко бързо могат да бъдат интегрирани в медицинските устройства, от които хората зависят всеки ден. Въз основа на темпото на прогреса, отговорът е окуражителен: революцията на батериите за изкуствените панкреасни системи вече е в ход.