Il ruolo critico del potere nei sistemi di pancreas artificiali

I sistemi di controllo del pancreas artificiale, noti anche come sistemi di distribuzione dell'insulina a ciclo chiuso, rappresentano uno dei più significativi progressi nella gestione del diabete negli ultimi dieci anni. Questi dispositivi monitorano continuamente i livelli di glucosio interstiziale tramite un monitor continuo del glucosio (CGM) e regolano automaticamente la consegna dell'insulina attraverso una pompa di insulina, imitando la funzione di un pancreas sano.

Realtà di consumo di energia in dispositivi chiusi-loop

I moderni sistemi di pancreas artificiali in genere combinano diversi sottosistemi, ciascuno con il proprio profilo di potenza. Il componente CGM, compreso il sensore elettrochimico, trasmettitore e antenna, può trarre ovunque da 50 a 200 microwatt in stato costante, con picchi durante la trasmissione dei dati. La pompa di insulina include un micro-motore e pistone che possono disegnare diverse centinaia di milliwatts durante una consegna del bolo, anche se la potenza media è inferiore del controllo.

Interruttori in Wearable Power Storage e Generazione

Riconoscendo i limiti delle celle convenzionali rigide di litio in wearable medici, team di ricerca e aziende stanno perseguendo più percorsi paralleli per alimentare la prossima generazione di dispositivi di pancreas artificiali.Le seguenti innovazioni rappresentano le direzioni più promettenti attualmente in fase di sviluppo o di commercializzazione precoce.

Batterie flessibili per il controllo del fuoco

Le batterie flessibili per il trattamento dei materiali di tipo elettrolitico, che possono essere utilizzate per la riduzione dei costi, possono essere utilizzate in modo flessibile per il trattamento di un materiale di protezione e di un'alimentazione.

Rivestimento energetico dal corpo e dall'ambiente

Una delle soluzioni più eleganti per la sfida di potere è quella di scavengere energia dal wearer’ il proprio corpo o l'ambiente circostante, riducendo o eliminando la necessità di ricarica esterna.

Rivestimento dell'energia cinetica

I generatori di movimento Piezoelettrici e elettromagnetici possono convertire il movimento del corpo in energia elettrica. I piccoli dispositivi incorporati in una patch di pancreas artificiale o indossati su una cintura possono catturare l'energia da camminando, movimenti del braccio, o anche la respirazione.

Arvestimento dell'energia termica

I generatori termoelettrici (TEG) sfruttano la differenza di temperatura tra la pelle (~32– 34°C) e l'aria ambiente per generare tensione. I progressi nella flessibilità dei materiali termoelettrici, come i nanofili di telluride di bismuth e i polimeri organici, hanno aumentato l'efficienza dei TEG indossabili alle densità di potenza del 200%; 50 μW/cm2.

Celle di biocarburante

Un approccio più futuristico utilizza enzimi o microrganismi per generare elettricità dal glucosio o lattato presente nel fluido sudore o interstiziale. Una cellula biocombustiva enzimatica (EBFC) può teoricamente produrre fino a 1 mW/cm2 dai livelli fisiologici di glucosio. Poiché il combustibile è continuamente fornito dal corpo, il dispositivo potrebbe funzionare indefinitamente senza ricaricare.

Caricamento senza fili per uso quotidiano senza cuciture

Per i dispositivi di pancreas artificiali, la ricarica wireless elimina la necessità di contatti esposti, riducendo il rischio di infezione e semplificando l'impermeabilità.

Batterie solide: maggiore densità e sicurezza intrinseca

Le batterie allo stato solido sostituiscono l'elettrolita di gel liquido o polimerico con un elettrolita di polimeri solidi o di ceramica, consentendo l'uso di anodi metallici di litio per una densità di energia molto più elevata e per un'elevata densità di energia; potenzialmente 300 & ndash; 400 Wh/L contro 200– 250 Wh/L per l'industria automobilistica tradizionale.

Vantaggi tangibili per i pazienti e i risultati clinici

Ogni volta che queste innovazioni di potere si traduce in una migliore esperienza utente e risultati di salute per le persone con diabete. Il vantaggio più immediato è extended device runtime[]. I sistemi di pancreas artificiali attuali spesso richiedono agli utenti di ricaricare le loro pompe ogni 24 a 72 ore.

Inoltre, le dimensioni e il peso del dispositivo redotto[] rese possibili da batterie di contaminazione flessibile e ad alta energia migliorano il comfort e la discrezione. Un più sottile, più leggero patch può essere indossato sotto l'abbigliamento senza rigonfiamento, riducendo la coscienza di sé e migliorando l'aderenza, in particolare tra adolescenti e giovani adulti.

Per i pazienti con diabete di tipo 1, l'integrazione di raccolta di energia potrebbe eventualmente portare a dispositivi veramente privi di manutenzione che non devono mai essere rimossi per la ricarica, consentendo il controllo continuo a ciclo chiuso senza interruzioni. Ciò sarebbe particolarmente prezioso durante il sonno, quando gli utenti potrebbero altrimenti rimuovere un dispositivo per caricarlo e quindi perdere la consegna automatica di insulina durante la notte.

Rimangono sfide sul percorso per l'adozione

Nonostante i progressi entusiasmanti, diverse barriere devono essere superate prima che queste innovazioni di potenza diventino standard nei dispositivi di pancreas artificiali commerciali.

  • Squilabilità e costo di produzione:[ Batterie flessibili e celle a stato solido richiedono nuove linee di produzione e materiali che sono attualmente più costosi della tradizionale Li-ion.Per un dispositivo medico che può vendere per centinaia di dollari, l'aggiunta di decine di dollari al costo della batteria è un ostacolo significativo.
  • Durability and Lifetime:[ I dispositivi medici indossabili devono resistere all'usura quotidiana, tra cui flessione, sudore, temperature estreme e impatti occasionali. Le batterie flessibili devono mantenere la capacità per centinaia di cicli senza screpolature o delaminazione. I raccoglitori di energia devono resistere all'umidità e alla corrosione.
  • Approvazione regolamentare: I dispositivi medici richiedono un rigoroso test per la biocompatibilità, la sicurezza e la compatibilità elettromagnetica (EMC). Per i raccoglitori di energia che utilizzano materiali termoelettrici o piezoelettrici, devono essere generati nuovi dati di biocompatibilità. La documentazione artificiale degli Stati Uniti Food and Drug Administration (FDA) e gli organismi notificati europei stanno stabilendo linee guida per percorsi elettronici flessibili, ma ogni nuovo sistema di ricarica della batteria o wireless
  • User Accettazione e integrazione:[ Anche la migliore tecnologia ha bisogno di buy-in degli utenti. Alcuni pazienti possono essere esitanti a caricare un dispositivo in modalità wireless (perceivamente le preoccupazioni di radiazione) o indossare un dispositivo con un raccoglitore di energia che si sente caldo o vibrato. Il riscaldamento da pastiglie di ricarica wireless deve essere limitato per evitare disagio.
  • Considerazioni ambientali e dispositive:[ Come per tutte le batterie, lo smaltimento end-of-life è una preoccupazione. Le batterie Thin-film utilizzano spesso metalli rari o tossici, anche se molti produttori si stanno muovendo verso materiali riciclabili o biodegradabili. L'industria deve sviluppare programmi di take-back e regolamenti per garantire un corretto riciclaggio.

Guardando in testa: la prossima generazione di sistemi di sicurezza chiusi

La traiettoria delle fonti di energia indossabile è verso sistemi intelligenti che combinano più fonti di energia e ottimizzano il consumo. Ad esempio, un futuro pancreas artificiale potrebbe integrare una batteria primaria a film sottile per la potenza della linea di base, una cella ricaricabile a stato solido per i carichi di picco, un TENG o TEG per la ricarica del trucco durante l'attività, e la ricarica wireless per la ricarica per la notte.

Le tecnologie emergenti includono anche supercondensatori] con elevata densità di potenza per la consegna dei colpi durante i boli, batterie stampate che possono essere prodotte utilizzando processi roll-to-roll simili alla stampa di giornale, e cellule solari flessibili che possono raccogliere i processi di luce ambientale a basso

Enfucell[] produce batterie flessibili stampate utilizzate in patch medici indossabili, e Cambridge Nanosystems[ sta sviluppando supercondensatori basati su grafine.

Conclusioni

Le innovazioni nelle fonti di energia indossabili non sono solo miglioramenti incrementali & mdash; sono abilitatori fondamentali per la prossima ondata di dispositivi di pancreas artificiali. Con la fornitura di tempi di funzionamento più lunghi, fattori di forma più piccoli, sicurezza intrinseca, e peso ridotto dell'utente, tecnologie come batterie diabete sottili flessibili, raccolta di energia, ricarica artificiale, e cellule di stato solido stanno trasformando ciò che è possibile nella gestione del diabete.