Критическая роль власти в искусственных системах поджелудочной железы

Искусственные системы поджелудочной железы, также известные как системы доставки инсулина с замкнутым контуром, представляют собой один из самых значительных достижений в управлении диабетом за последнее десятилетие. Эти устройства непрерывно контролируют интерстициальные уровни глюкозы через непрерывный монитор глюкозы (CGM) и автоматически регулируют доставку инсулина через инсулиновую помпу, имитируя функцию здоровой поджелудочной железы. Эта операция с замкнутым контуром требует постоянного, надежного питания и питания; не только для запуска датчиков и насосных двигателей, но и для питания беспроводной связи между компонентами, бортовыми алгоритмами, проверками безопасности и пользовательскими интерфейсами. Любое прерывание питания, даже в течение нескольких минут, может привести к потере гликемического контроля, потенциальной гипогликемии или гипергликемии и неисправности устройства. Поскольку эти системы становятся меньше, более сдержанными и более интегрированными в повседневную жизнь, потребность в инновационных носимых источниках питания, которые предлагают увеличенное время работы, компактные форм-факторы и удобная подзарядка стала главным приоритетом для производителей устройств и исследователей.

Реалии энергопотребления в устройствах с замкнутым контуром

Современные искусственные системы поджелудочной железы обычно объединяют несколько подсистем, каждая со своим профилем мощности. Компонент CGM, включая электрохимический датчик, передатчик и антенну, может вытягивать от 50 до 200 микроватт в устойчивом состоянии, с пиками во время передачи данных. Инсулиновый насос включает в себя микромотор и поршень, которые могут вытягивать несколько сотен милливатт во время болюсной доставки, хотя средняя мощность с течением времени ниже. Алгоритм управления, часто работающий на специальном микроконтроллере или смартфоне, добавляет вычислительную нагрузку. Кроме того, многие системы включают функции безопасности, такие как избыточные процессоры, вибрационные двигатели для оповещений и резервные батареи для аварийно-безопасной работы. Вместе эти элементы накладывают потребность в мощности примерно от 300 до 1000 милливатт в среднем, с пиковыми требованиями, которые могут быть значительно выше. Для устройства, которое должно работать непрерывно в течение дней или даже недель без подзарядки, емкость хранения энергии от 10 до 30 ватт-часов является обычным делом; достижение этого в носимом форм-фактор

Прорывы в носимом хранении энергии и генерации

Признавая ограничения обычных жестких литий-ионных элементов в медицинских носимых устройствах, исследовательские группы и компании проводят несколько параллельных путей для питания следующего поколения устройств искусственной поджелудочной железы. Следующие инновации представляют собой наиболее перспективные направления, которые в настоящее время разрабатываются или ранней коммерциализации.

Гибкие тонко-фильмовые батареи

Гибкие тонкопленочные батареи изготавливаются с использованием твердотельных слоев электролита и тонких электродных пленок, нанесенных на гибкие подложки, такие как полимерные фольги или текстиль. В отличие от традиционных мешковых клеток, эти батареи могут изгибаться, скручиваться и соответствовать кривизне человеческого тела без расслоения или потери емкости. Такие компании, как Jenax и Imprint Energy продемонстрировали клетки с плотностью энергии, приближающейся к 200 Втч/л, сохраняя гибкость в течение тысяч циклов изгиба. Для искусственного пластыря поджелудочной железы, носимого на животе или руке, тонкопленочная батарея может быть интегрирована непосредственно в корпус устройства, устраняя необходимость в отдельном отсеке батареи и уменьшая общую толщину. Недавние инновации включают литий-полимерные варианты с печатными электродами и химиями на основе цинка, которые избегают воспламеняющихся органических электролитов, повышая безопасность для медицинских применений

Уборка энергии из тела и окружающей среды

Одним из самых элегантных решений проблемы питания является удаление энергии из собственного тела владельца или окружающей среды, уменьшение или устранение необходимости внешней зарядки.

Кинетическая энергия сбор

Пьезоэлектрические и электромагнитные генераторы могут преобразовывать движение тела в электрическую энергию. Маленькие устройства, встроенные в искусственный пластырь поджелудочной железы или надеваемые на пояс, могут захватывать энергию от ходьбы, движений рук или даже дыхания. Исследования Калифорнийского университета в Сан-Диего демонстрируют гибкий пьезоэлектрический комбайн, который генерирует до 1 мВт от обычных ходовых походок и пр. Достаточно для питания маломощного CGM-передатчика, но все еще недостаточный для всей системы. Комбинирование нескольких комбайнов или их интеграция с суперконденсаторами для доставки энергии взрыва также является перспективным подходом. Трибоэлектрические наногенераторы (TENG), которые генерируют заряд от скольжения контакта между материалами, также были протестированы. В исследовании 2023 года, опубликованном в Nature Communications , сообщается о кожноприкрепляемом TENG, который производил до 5 мВт при типичном движении, хотя долгосрочная долговечность и кондиционирование сигналов остаются инженерными препятствиями.

Термальная энергия сбора урожая

Термоэлектрические генераторы (TEG) используют разницу температур между кожей (~32–34°C) и окружающим воздухом для генерации напряжения. Достижения в гибких термоэлектрических материалах, таких как теллуридные нанопровода висмута и органические полимеры, повысили эффективность носимых TEG до плотности мощности 20–50 мкВт/см2. Хотя этого недостаточно для работы всей искусственной поджелудочной железы в одиночку, TEG могут дополнять мощность батареи, увеличивая время работы устройства на 20–30%. Исследователи из MIT продемонстрировали прототипы, которые интегрируют массивы TEG в мягкий силиконовый пластырь, достигая комфортного контакта и стабильного выхода. Самым большим ограничением является минимальный температурный градиент на хорошо одетый корпус; производительность улучшается в более прохладных средах или когда температура воздуха значительно отличается от температуры кожи.

Биотопливные клетки

Более футуристический подход использует ферменты или микроорганизмы для выработки электроэнергии из глюкозы или лактата, присутствующих в поте или интерстициальной жидкости. Ферментативная биотопливная клетка (EBFC) теоретически может производить до 1 мВт/см2 от физиологических уровней глюкозы. Поскольку топливо постоянно подается организмом, устройство может работать бесконечно без подзарядки. Практические проблемы включают стабильность фермента в течение нескольких дней и недель, загрязнение электродов и изменчивость выходной мощности с метаболическим состоянием. Недавние работы из Технического университета Мюнхена показали, что EBFC поддерживают более 80% своей первоначальной выходной мощности в течение 30 дней in vitro, и несколько компаний изучают интеграцию в датчики CGM, которые могут одновременно питать себя и инсулиновый насос. Однако ни одна биотопливная клетка еще не одобрена для использования в медицинском устройстве, и устанавливаются регуляторные пути.

Беспроводная зарядка для ежедневного использования без швов

Индуктивная беспроводная зарядка стала стандартом в смартфонах и в настоящее время адаптируется для медицинских носимых устройств. Для устройств с искусственной поджелудочной железой беспроводная зарядка устраняет необходимость в открытых контактах, снижая риск заражения и упрощая гидроизоляцию. Новые резонансные индуктивные системы связи могут заряжаться через несколько миллиметров контактного слоя кожи, позволяя пользователю перезаряжать свое устройство просто путем размещения его на площадке в течение 30-60 минут каждый день. Некоторые исследовательские группы изучают резонансную беспроводную передачу мощности (WPT) на более высоких частотах (6,78 МГц) для достижения большей пространственной свободы, поэтому устройство не нуждается в точной выравнивании. Кроме того, тестируется концепция над воздушной зарядкой с использованием маломощной радиочастотной (RF) энергии, хотя эффективность очень низкая (значительно ниже 1%) и вряд ли обеспечит осмысленную мощность для активного насоса. Тем не менее, даже ограниченный заряд RF-струйки может поддерживать резервный суперконденсатор, перегруженный для чрезвычайных

Твердотельные батареи: высокая плотность и внутренняя безопасность

Твердотельные батареи заменяют жидкий или полимерный гелевый электролит керамическим или твердым полимерным электролитом, что позволяет использовать литиевые металлические аноды для гораздо более высокой плотности энергии — потенциально 300 – 400 Втч / л по сравнению с 200 – 250 Втч / л для обычных литий-ионных. Для носимых медицинских устройств наибольшее преимущество - безопасность: твердые электролиты не воспламеняются и не протекают, устраняя риск теплового бегства, который преследовал некоторые потребительские электронные устройства. Такие компании, как [FLT: 1] и [FLT: 2]] Blue Solutions [[FLT: 1]] и [FLT: 2]] QuantumScape также расширяют производство для автомобильных и потребительских применений, но также появляются более мелкие форм-факторы для носимых устройств. твердотельная батарея размером с кредитную карту может питать искусственную поджелудочную железу в течение двух недель или более. Основная проблема - стоимость производства и необходимость высокотемпературной обработки, хотя последние достижения

Ощутимые преимущества для пациентов и клинические результаты

Каждая из этих инноваций в области питания напрямую приводит к улучшению пользовательского опыта и результатов для здоровья людей с диабетом. Наиболее непосредственной выгодой является продление времени работы устройства . Современные системы искусственной поджелудочной железы часто требуют от пользователей перезаряжать свои насосы каждые 24-72 часа. Такие инновации, как тонкопленочные и твердотельные батареи, могут продлить это до 7–14 дней или более, что резко снижает нагрузку на ежедневные зарядные процедуры. Это удобство поощряет последовательное использование, которое коррелирует с лучшим гликемическим контролем. Исследование 2022 года в Diabetes Technology & Therapeutics показало, что пользователи, которые заряжали свои устройства менее одного раза в неделю, имели на 12% больше времени в диапазоне (70–180 мг/дл), чем те, кто заряжался ежедневно, вероятно, из-за меньшего количества перерывов и снижения усталости от тревоги.

Кроме того, уменьшенный размер и вес устройства , ставший возможным благодаря гибким и высокоэнергетическим батареям, повышает комфорт и дискреционность. Более тонкий, более легкий пластырь можно носить под одеждой без выпуклости, снижая самосознание и улучшая приверженность, особенно среди подростков и молодых людей. Расширенные функции безопасности , обеспечиваемые твердотельными и тонкопленочными химическими веществами, снижают риск отказа батареи, отечности или перегрева, которые редки, но касаются обычных литий-ионных элементов. Беспроводная зарядка устраняет проблемы механического износа и загрязнения портов, увеличивая долговечность устройства и уменьшая отозванные.

Для пациентов с диабетом 1 типа интеграция сбора энергии может в конечном итоге привести к по-настоящему не требующим обслуживания устройствам, которые никогда не должны быть удалены для зарядки, что позволяет непрерывно контролировать замкнутый цикл без перерывов. Это было бы особенно ценно во время сна, когда пользователи могли бы в противном случае удалить устройство для зарядки и, таким образом, потерять автоматизированную доставку инсулина в течение ночи. Исследования показывают, что даже короткие перерывы в терапии замкнутого цикла могут привести к гликемическим экскурсиям, поэтому бесперебойная мощность является клиническим приоритетом.

Остающиеся проблемы на пути к усыновлению

Несмотря на впечатляющий прогресс, необходимо преодолеть несколько барьеров, прежде чем эти инновации в области питания станут стандартом в коммерческих устройствах искусственной поджелудочной железы.

Взгляд в будущее: следующее поколение систем с замкнутым контуром с электроприводом

Траектория носимых источников питания направлена на интеллектуальные системы, которые объединяют несколько источников энергии и оптимизируют потребление. Например, будущая искусственная поджелудочная железа может интегрировать тонкую пленку первичной батареи для базовой мощности, твердотельный перезаряжаемый элемент для пиковых нагрузок, TENG или TEG для зарядки ручейка во время активности и беспроводную зарядку для зарядки в течение ночи. Микроконтроллер устройства может запускать алгоритмы машинного обучения для прогнозирования спроса на электроэнергию на основе моделей активности пользователя и корректировать график доставки инсулина в соответствии с доступной энергией. Это энергосберегающее управление замкнутым контуром представляет собой конвергенцию силовой электроники, материаловедения и ИИ.

Новые технологии также включают в себя суперконденсаторы с высокой плотностью мощности для доставки всплесков во время болюсов, напечатанные батареи , которые могут быть изготовлены с использованием процессов рулона к рулону, аналогичных газетной печати, и гибкие солнечные элементы , которые могут собирать окружающий внутренний свет (хотя и при очень низкой мощности). Исследователи из Стэнфордского университета недавно продемонстрировали биосенсор , который использует биотопливный элемент глюкозы для запуска как датчика, так и беспроводного передатчика, предполагая возможное будущее, где искусственная поджелудочная железа не требует внешнего источника питания вообще.

Несколько стартапов уже коммерциализируют гибкие медицинские батареи. Enfucell производит печатные гибкие батареи, используемые в носимых медицинских пластырях, и Cambridge Nanosystems разрабатывает суперконденсаторы на основе графена. Крупные компании, занимающиеся медицинскими устройствами, такие как Medtronic, Insulet и Tandem Diabetes Care, активно инвестируют в решения для питания следующего поколения, о чем свидетельствуют недавние патентные заявки и партнерские отношения с стартапами батарей. Рынок носимых батарей для медицинских устройств, по прогнозам, превысит 5 миллиардов долларов к 2028 году, с системами искусственной поджелудочной железы, представляющими ключевой сегмент роста.

Заключение

Инновации в носимых источниках питания - это не просто постепенные улучшения и модемы; они являются основополагающими факторами для следующей волны искусственных устройств поджелудочной железы. Обеспечивая более длительное время работы, меньшие форм-факторы, неотъемлемую безопасность и снижение нагрузки на пользователя, такие технологии, как гибкие тонкопленочные батареи, сбор энергии, беспроводная зарядка и твердотельные клетки, трансформируют то, что возможно в управлении диабетом. По мере того, как эти решения по производству электроэнергии созревают и получают одобрение регулирующих органов, они позволят людям с диабетом испытывать действительно непрерывную, беспроблемную автоматическую доставку инсулина. Результатом будет не только улучшение гликемических результатов, но и значимое улучшение качества жизни. Освобождение пользователей от постоянной тревоги за зарядку устройства и отказ батареи. Будущее систем искусственной поджелудочной железы яркое, и оно питается от инноваций.