Kritična vloga moči v umetnih pankreaznih sistemih

Umetni sistemi trebušne slinavke, ki so znani tudi kot sistemi za dovajanje insulina zaprtega zanke, predstavljajo enega najpomembnejših dosežkov pri upravljanju sladkorne bolezni v zadnjem desetletju. Te naprave stalno spremljajo raven intersticijske glukoze preko stalnega monitorja glukoze (CGM) in samodejno prilagajajo dostavo insulina prek insulinske črpalke, kar posnema delovanje zdrave trebušne slinavke. Ta operacija zaprtega zanke zahteva stalno, zanesljivo oskrbo z energijo— ne samo za poganjanje senzorjev in motorjev črpalke, ampak tudi za napajanje brezžične komunikacijske opreme med komponentami, algoritmi na vozilu, varnostne preglede in uporabniške vmesnike. Vsaka prekinitev moči, tudi za nekaj minut, lahko vodi v izgubo glikemičnega nadzora, potencialne hipoglikemije ali hiperglikemije in okvare naprav. Ker ti sistemi postajajo manjši, bolj diskretni in bolj vključeni v vsakodnevno življenje, je potreba po inovativnih obrabljivih virih energije, ki ponujajo podaljšane čase delovanja, kompaktne dejavnike oblike in uporabniku prijazno ponovno polnjenje je postala prednostna naloga proizvajalcev naprav in raziskovalcev, tako kot so tudi sami.

Realnost porabe energije v zaprtih napravah

Sodobni umetni sistemi trebušne slinavke običajno združujejo več podsistemov, vsak s svojim profilom moči. Komponenta CGM, vključno z elektrokemičnim senzorjem, oddajnikom in anteno, lahko pritegne kjerkoli od 50 do 200 mikrovatov v stabilnem stanju, z vrhovi med prenosom podatkov. Črpalka za insulin vključuje mikromotor in bat, ki lahko med bolusnim dovajanjem potegne več sto milivatov, čeprav je povprečna moč v času nižja. Algoritem za nadzor, ki pogosto teče na namenski mikrokrmilnik ali pametni telefon, dodaja računsko obremenitev. Poleg tega številni sistemi vključujejo varnostne lastnosti, kot so odvečni procesorji, vibracijski motorji za alarme in rezervne baterije za neuspešno varno delovanje. Ti elementi skupaj zahtevajo moč približno 300 do 1000 milivatov v povprečju, pri čemer so lahko največje zahteve, ki so lahko znatno višje. Za napravo, ki mora delovati neprekinjeno več dni ali celo tednov brez ponovnega polnjenja, je energijska zmogljivost shranjevanja energije vsaj 10 do 30 wat-ur je skupna—prijem v tem v obrabljivem faktor, ki je udobljivem, prilagodljiv in varen in je osrednji inženiring.

Preboji v Nositi shranjevanje in ustvarjanje energije

Ob priznavanju omejitev običajnih togih litij-ionskih celic v medicinskih nosljivih, raziskovalne ekipe in podjetja sledijo več vzporednih poti za napajanje naslednje generacije umetnih naprav trebušne slinavke. Naslednje inovacije predstavljajo najbolj obetavne smeri, ki so trenutno v razvoju ali zgodnji komercializaciji.

Gibke baterije za tančice

Optimalne tankoplastne baterije se izdelujejo s pomočjo plasti elektrolitov v trdnem stanju in tankih elektrod, ki se nalagajo na prožne podlage, kot so polimerne folije ali tekstil. V nasprotju s tradicionalnimi celicami v vrečkah se lahko te baterije upognejo, zvijejo in prilagodijo ukrivljenosti človeškega telesa brez delacije ali izgube zmogljivosti. Podjetja, kot so Jenax in Energija v odtisu [] so pokazala celice z gostoto energije, ki se približuje 200 Wh/L, pri čemer se ohranja prožnost v tisočih upogibnih ciklih. Za umetno pankreas obliž, ki se nosi na trebuhu ali roki, se lahko tankofilmna baterija neposredno integrira v ohišje naprave, tako da se odpravi potreba po ločenem akumulatorju in zmanjša skupna debelina. Nedavne novosti vključujejo litij-polimerske različice z natisnjenimi elektrodami in cinkastih biokmeti, ki se izogibajo vnetljivim organskim elektrolitom, varnost za medicinske uporabe. Klinične ocene prototipih naprav kažejo, da lahko prilagodljive baterije vsaj 7 dni neprekinjen

Pridobivanje energije iz telesa in okolja

Eden izmed najbolj elegantnih rešitev za izziv moči je, da se energija iz uporabnika’ lastno telo ali okoliško okolje, zmanjšanje ali odpravo potrebe po zunanjem zaračunavanju. Več načinov so v aktivni preiskavi:

Nabiranje kinetične energije

Piezoelektrični in elektromagnetni generatorji lahko pretvorijo gibanje telesa v električno energijo. Majhne naprave, vgrajene v umetni pankreas obliž ali ki jih nosi na pasu, lahko zajamejo energijo iz hoje, gibanja rok ali celo dihanja. Raziskave z Univerze v Kaliforniji San Diego kažejo fleksibilno piezoelektrično kombajno, ki ustvarja do 1 mW iz običajnih hojnih gaits— dovolj moči za napajanje nizko zmogljivega CGM oddajnik, vendar še vedno nezadosten za celoten sistem. Združevanje več zbiralnikov ali njihova integracija s superkanditorji za dovajanje je obetaven pristop. Triboelektrični nanogeneratorji (TENG), ki ustvarjajo naboj iz drsnega stika med materiali, so bili preizkušeni tudi. Študija 2023, objavljena v Nature Communications] je poročala o kožno priključljivem TENG, ki je bil proizveden do 5 mW v tipičnem gibanju, čeprav dolgotrajna vzdržljivost in signalna naprava ostajata oviri.

Zbiranje toplotne energije

Termoelektrični generatorji (TEG) izkoriščajo temperaturno razliko med kožo (~32–34°C) in zunanjim zrakom za ustvarjanje napetosti. Napredki v prožnih termoelektričnih materialih, kot so nanoži in organski polimeri iz bizmuta telurida, so povečali učinkovitost nosljivih TEG-jev na gostoto moči 20&nash;50 μW/cm2. Čeprav ne zadostujejo za samo delovanje celotne umetne trebušne slinavke, lahko TEG-ji dopolnjujejo moč akumulatorja, podaljšajo čas delovanja naprave za 20&nash;30 %. Raziskovalci na MIT so dokazali prototipe, ki združujejo TEC-e v mehke silikonske obliže, kar je udobno kontaktno in stabilno izhodno. Največja omejitev je minimalni temperaturni gradient na dobro oblečenem telesu; zmogljivost se izboljša v hladnejših okoljih ali ko se temperatura zraka bistveno razlikuje od temperature kože.

Celice za biogoriva

Bolj futuristični pristop uporablja encime ali mikroorganizme za proizvodnjo električne energije iz glukoze ali laktata, ki je prisoten v znoju ali intersticijski tekočini. Encimska celica biogoriva (EBFC) lahko teoretično proizvede do 1 mW/cm2 iz fizioloških ravni glukoze. Ker gorivo neprekinjeno dobavlja telo, bi naprava lahko delovala neomejeno brez ponovnega polnjenja. Praktični izzivi vključujejo stabilnost encimov v dnevih in tednih, dehidriranje elektrod in variabilnost izhodne moči s presnovnim stanjem. Nedavno delo s Tehnične univerze v Münchnu je pokazalo EBFC, da vzdržujejo več kot 80 % svoje začetne moči za 30 dni in vitro, in več podjetij raziskuje integracijo v CGM senzorje, ki bi lahko hkrati napajali sebe in insulinsko črpalko. Vendar pa se nobena celica biogoriva še ni odobrena za uporabo v medicinski napravi, in regulativne poti se vzpostavljajo.

Brezžično polnjenje za brezšivne dnevne uporabe

Induktivno brezžično polnjenje je postalo standardno pri pametnih telefonih in se zdaj prilagaja za medicinske nosače. Za umetne naprave trebušne slinavke brezžično polnjenje odpravlja potrebo po izpostavljenih stikih, zmanjšanju tveganja okužbe in poenostavitvi hidroizolacije. Novi resonančni induktivni sistemi za spenjanje lahko napolnijo prek več milimetrov kožne kontaktne plasti, kar uporabniku omogoča, da se napolni z napravo preprosto tako, da jo vsak dan postavi na podstavek za 30 do 60 minut. Nekatere raziskovalne skupine raziskujejo resonančni brezžični prenos moči (WPT) na višjih frekvencah (6,78 MHz), da bi dosegli večjo prostorsko svobodo, zato naprave ni treba natančno uskladiti. Poleg tega se lahko z uporabo nizkofrekvenčne radijske frekvence (RFLT:1) preskuša koncept preko zračnega napajanja, čeprav je učinkovitost zelo nizka (dobro pod 1%) in malo verjetno ne zagotavlja pomembne moči za aktivno črpalko.

Baterije v trdnem stanju: večja gostota in intrinzična varnost

Optimizacija je lahko tudi v primeru, da se pri uporabi teh naprav pojavijo novejši dejavniki, kot so modre rešitve in KvantumScape so proizvodnja za avtomobilske in potrošniške aplikacije, vendar se pojavljajo tudi manjši dejavniki oblike za nošenje. Trdna baterija lahko na moč umetne trebušne slinavke za dva tedna ali več. Glavni izziv je proizvodnja in potreba po visoki stopnji predelave, čeprav so nedavni napredek v sintetiranju in natisnjeni trdni elektroliti prvi načini za pridobivanje trdnih elektrolitov.

Opredmetene koristi za bolnike in klinični izidi

Vsaka od teh inovacij moči se neposredno prevaja v izboljšane uporabniške izkušnje in zdravstvene rezultate za ljudi s sladkorno boleznijo.Najbližja korist je podaljšan čas delovanja naprave[]. Trenutni umetni sistemi trebušne slinavke pogosto zahtevajo, da uporabniki vsakih 24 do 72 ur napolnijo svoje črpalke. Inovacije, kot so tankoplastne in trdnostano baterijo, lahko to podaljšajo na 7&nash;14 dni ali več, dramatično zmanjšajo breme vsakodnevnih rutin polnjenja. Ta priročnost spodbuja dosledno uporabo, ki je povezana z boljšim glikemičnim nadzorom. Študija 2022 v Diabetes Technology & Terapetiki je ugotovila, da so uporabniki, ki so svoje naprave zaračunavali manj kot enkrat na teden, imeli 12 % več časa v razponu (70&nashash;180 mg/dl) kot tisti, ki so dnevno polni, verjetno zaradi manjših prekinitev in zmanjšane utrujenosti zaradi alarma.

Poleg tega zmanjša velikost in težo naprave, kar omogočata prilagodljive in visokoenergijske baterije, izboljšuje udobje in diskretnost. Tanjši, lažji obliž lahko nosite pod obleko brez izbokline, zmanjšujete samozavedanje in izboljšujete privrženost, zlasti med mladostniki in mladimi odraslimi. Napredne varnostne lastnosti[ omogočajo trdne in tankofilmske biokemične industrije, ki zmanjšujejo tveganje odpovedi, otekline ali pregrevanja akumulatorjev, ki so redke, vendar se nanašajo na običajne litij-ionske celice. Brezžično polnjenje odpravlja mehansko obrabo in kontaminacijo pristanišč, povečuje obstojnost naprav in zmanjšuje odpoklice.

Za bolnike s sladkorno boleznijo tipa 1 bi lahko integracija energije[] sčasoma vodila do resnično nevzdrževalnih naprav, ki jih ni treba nikoli odstraniti za polnjenje, kar bi omogočilo kontinuirano nadzorovanje zaprtega zanke brez prekinitev. To bi bilo še posebej dragoceno med spanjem, ko bi lahko uporabniki drugače odstranili napravo za polnjenje in tako čez noč izgubili avtomatizirano dostavo insulina. Študije kažejo, da lahko tudi kratke prekinitve pri zdravljenju zaprtega zanke privedejo do glikemičnih izletov, zato je neprekinjena moč klinična prioriteta.

Ostajajo izzivi na poti do posvojitve

Kljub razburljivemu napredku je treba premagati več ovir, preden te inovacije moči postanejo standard v komercialnih umetnih napravah trebušne slinavke.

  • Proizvodnja nadvišanja in stroškov: Prilagodljive baterije in trdne celice zahtevajo nove proizvodne linije in materiale, ki so trenutno dražji od tradicionalnega Li-iona. Za medicinsko napravo, ki lahko prodaja na drobno za stotine dolarjev, je dodajanje deset dolarjev k stroškom baterije velika ovira. Ekonomije obsega v sektorjih potrošniške elektronike in električnih vozil bodo pomagale znižati stroške, vendar pa se bodo prilagoditve za naprave (navadna oblika, biokompatibilna embalaža) dodale premijo.
  • Trajanje in čas življenja: Nositveni medicinski pripomočki morajo vzdržati dnevno obrabo in raztrganje, vključno z upogibanjem, znojenjem, temperaturnimi ekstremi in občasnimi vplivi. Gibljive baterije morajo vzdrževati zmogljivost na stotine ciklov brez pokanja ali razkrajanja. Energetski zbiralniki se morajo upirati vlagi in koroziji. Pospešeni testi staranja kažejo, da lahko sedanje tankoplastne baterije preživijo 1000+ upogibne cikle, vendar se v realnem svetu validacija v letih uporabe še vedno izvaja.
  • Regulativna odobritev: Medicinske naprave zahtevajo strogo testiranje za biokompatibilnost, varnost in elektromagnetno združljivost (EMC). Za energetske zbiralnike, ki uporabljajo termoelektrične ali piezoelektrične materiale, je treba ustvariti nove podatke o biokompatibilnosti. Ameriška uprava za hrano in zdravila (FDA) in evropski priglašeni organi vzpostavljajo smernice za prožno elektroniko, vendar vsak nov sistem baterijske kemije ali brezžičnega polnjenja zahteva odobritev pred dajanjem na trg ali 510(k) predložitev z obsežno dokumentacijo. FDA je bila proaktivna pri zagotavljanju poti za umetne komponente trebušne slinavke, vendar lahko energijsko povezane vloge še vedno trajajo 12&nashash;18 mesecev.
  • Uporabnik Sprejem in Integracija: Tudi najboljša tehnologija potrebuje uporabniški vpoklic. Nekateri bolniki se lahko obotavljajo pri polnjenju naprave brezžično (zaznavanje skrbi sevanja) ali nošenju naprave z energetsko zbiralnikom, ki se počuti toplega ali vibrate. Ogrevanje iz brezžičnih polnilnih blazinic mora biti omejeno, da se izogne nelagodju. Design ekipe morajo izvesti študije človeških dejavnikov, da se zagotovi, da se recharing ritual ali brez vzdrževanja delovanje uskladi z realnim vedenjem.
  • Okoljska in odstranjevalna vprašanja: Kot pri vseh baterijah je tudi pri odstranjevanju izrabljenih baterij skrb. Tankofilmske baterije pogosto uporabljajo redke ali strupene kovine, čeprav se mnogi proizvajalci premikajo proti reciklažnim ali biorazgradljivim materialom. Industrija mora razviti programe in predpise za ponovno uporabo, da zagotovi ustrezno recikliranje.

Pogled naprej: Naslednja generacija sistemov za zapiranje zaklopa

Pot do nosilnih virov energije je usmerjena v inteligentne sisteme, ki združujejo več virov energije in optimizirajo porabo. Na primer, umetna trebušna slinavka v prihodnosti lahko vključuje tankoplastno primarno baterijo za osnovno moč, trdno stanje, ki se lahko ponovno napolni za konično obremenitev, TENG ali TEG za polnjenje med aktivnostjo in brezžično polnjenje za dovajanje čez noč. Naprava’ mikrokontroler lahko poganja algoritme za učenje strojev za napovedovanje povpraševanja po moči na podlagi uporabnikovega’ vzorci aktivnosti in prilagodite razpored dobave insulina, da se uskladi z razpoložljivo energijo. Ta power-aware zaprt-loop control predstavlja zbliževanje elektronike, znanosti materialov in AI.

Med nastajajoče tehnologije spadajo tudi superkondenzatorji[] z visoko gostoto moči za pokanje med bolusi, [] tiskane baterije[[], ki se lahko izdelajo z uporabo postopkov roll-to-roll, podobnih tiskanju časopisov, in fleksibilne sončne celice[]], ki lahko izrabijo ambientalno notranjo svetlobo (čeprav pri zelo nizki moči). Raziskovalci na Stanfordski univerzi so pred kratkim pokazali [samopogonski biosenzor]], ki uporablja celico biobiosenzor za gliko za delovanje tako senzorja kot brezžičnega oddajnika, kar kaže na možno prihodnost, kjer umetna pankrena trebušna slinavka ne potrebuje zunanjega vira.

Več zagonskih podjetij že komercializira fleksibilne medicinske baterije. Enfucell] proizvaja tiskane fleksibilne baterije, ki se uporabljajo v nosljivih medicinskih obližih, in Cambridge Nanosystems[] razvija superkondenzatorje na osnovi grafena. Velika podjetja medicinskih pripomočkov, kot so Medtronic, Insulet in Tandem Diabetes Care, aktivno vlagajo v energetske rešitve naslednje generacije, kar dokazujejo nedavni patentni zahtevki in partnerstva z zagonskimi baterijami. Trg za nosljive baterije medicinskih naprav naj bi do leta 2028 presegel 5 milijard ameriških dolarjev, pri čemer umetni sistemi trebušne slinavke predstavljajo ključni segment rasti.

Sklep

Inovacije v nosilnih virih energije niso zgolj postopne izboljšave— so temeljni spodbujevalci za naslednji val umetnih naprav trebušne slinavke. Z zagotavljanjem daljših časov delovanja, manjših dejavnikov oblike, inherentne varnosti in zmanjšanega uporabniškega bremena, tehnologije, kot so fleksibilne tankoplastne baterije, pridobivanje energije, brezžično polnjenje in solidne celice, spreminjajo, kar je mogoče pri upravljanju sladkorne bolezni. Ker te rešitve za napajanje dozorijo in pridobijo regulativno odobritev, bodo posameznikom s sladkorno boleznijo omogočile resnično neprekinjeno, brezskrbno avtomatizirano dostavo insulina. Rezultat ne bo le boljši glikemični izid, ampak tudi pomembno izboljšanje kakovosti življenja— s tem, da bodo uporabniki brez nenehne tesnobe zaradi polnjenja naprav in odpovedi baterije. Prihodnost umetnih sistemov trebušne slinavke je svetla, zato se napaja z inovacijami.