Den kritiska rollen av makt i konstgjorda bukspottkörtelsystem

Artificiella bukspottkörtelsystem, även kända som slutna insulinleveranssystem, representerar en av de viktigaste framstegen i diabeteshantering under det senaste decenniet. Dessa enheter övervakar kontinuerligt interstitiella glukosnivåer via en kontinuerlig glukosövervakning (CGM) och justerar automatiskt insulinleverans genom en insulinpump, efterliknar funktionen hos en hälsosam bukspottkörtel, och denna slutna strömförsörjning kräver en konstant, tillförlitlig strömförsörjning och multiplast inte bara för att köra sensor- och pumpmotorerna utan också för att strömmar trådlös kommunikation mellan komponenter, ombordslånga algoritmarnas, säkerhetskontroller, kontroller, kontroller, kontroller, kontroller, kontroller, kontroller, kontroller av säkerhetskontroller, kontroller av gränser av gränser av gränser av gränser av vissa behov av vissa behov av säkerhetskontroller, kontroller av gränser, kontroller, kontroller av gränser av gränser av vissa behov av vissa behov av en kontinuerligt behov av en kontinuerligt, kontroller av mindre.

Kraftförbrukningsrealiteter i slutna enheter

Moderna konstgjorda bukspottkörtelsystem kombinerar vanligtvis flera delsystem, var och en med sin egen effektprofil. CGM-komponenten, inklusive den elektrokemiska sensorn, sändare och antenn, kan dra någonstans från 50 till 200 mikrowatt i stadigt tillstånd, med toppar under dataöverföring. insulinpumpen innehåller en mikro- och kolvbärande vibrationsform som kan dra flera hundra milliwatt under en bolusleverans, men den genomsnittliga effekten över tiden är lägre. Kontrollalgoritmen, som ofta körs på en dedikerad mikrokontroll eller en smartphone, lägger till en kompenstorisk lastning av flera hundrakör.

Genombrott i bärbar kraftlagring och generation

Erkänner begränsningarna av konventionella styva litiumjonceller i medicinska wearables, forskargrupper och företag driver flera parallella vägar för att driva nästa generation av konstgjorda bukspottkörtelapparater. Följande innovationer representerar de mest lovande riktningarna som för närvarande är under utveckling eller tidig kommersialisering.

Flexibla tunna filbatterier

Flexibla tunna filmbatterier tillverkas med hjälp av solid state elektrolytskikt och tunna elektrodfilmer som deponeras på flexibla substrat som polymerfolier eller textilier. Till skillnad från traditionella påseceller kan dessa batterier böja, vrida och överensstämma med krökningen av människokroppen utan fördröjning eller kapacitetsförlust.

Energiskörd från kroppen och miljön

En av de mest eleganta lösningarna på kraftutmaningen är att avskaffa energi från bäraren & rsquo;s egen kropp eller omgivningen, minska eller eliminera behovet av extern laddning. Flera modaliteter är under aktiv utredning:

Kinetic Energy Harvesting

Piezoelektriska och elektromagnetiska generatorer kan omvandla kroppsrörelse till elektrisk energi. Små enheter inbäddade i en konstgjord bukspottkörtelpatch eller bärs på ett bälte kan fånga energi från promenader, armrörelser eller till och med andas. Forskning från University of California San Diego visar en flexibel piezoelektrisk skördare som genererar upp till 1 mW från normala gångavgifter och mdash; tillräcker en låg effekt CGM-sändare fortfarande otillräcklig för hela systemet.

Termisk energiskörd

Termoelektriska generatorer (TEG) utnyttjar temperaturskillnaden mellan huden (~32 & ndash;34 ° C) och omgivande luft för att generera spänning. Förskott i flexibla termoelektriska material, såsom bismuth telluride nanowires och organiska polymerer, har ökat effektiviteten av bärbara TEGs till krafttätheter av 20 & ndash; 50 μW / cm2. Även om inte tillräckligt för att köra en hel konstgjord bukspottkörtlar ensam, kan TEGTITTUPPT batteridrift, förlänga enhet körtiden med 20 & 20 & 20; 30%

Biobränsleceller

Ett mer futuristiskt tillvägagångssätt använder enzymer eller mikroorganismer för att generera el från glukos eller laktat närvarande i svett eller interstitiell vätska. En enzymatisk biobränslecell (EBFC) kan teoretiskt producera upp till 1 mW / cm2 från fysiologiska glukosnivåer. Eftersom bränslet kontinuerligt levereras av kroppen, kan enheten fungera obegränsat utan laddning. Praktiska utmaningar inkluderar enzymstabilitet över dagar och veckor, elektrod foulering och effektutgångsvaribilitet med metabolisk metabolisk metabolisk metabolisk metabolisk metabolisk effekt.

Trådlös laddning för Seamless daglig användning

Induktiv trådlös laddning har blivit standard i smartphones och är nu anpassad för medicinska wearables. För artificiella bukspottkörtelapparater eliminerar trådlös laddning behovet av utsatta kontakter, minskar infektionsrisken och förenklar vattentätning. Ny resonans induktiv kopplingssystem kan ladda genom flera millimeter av hudkontaktskikt, vilket gör att användaren kan ladda sin enhet helt enkelt genom att placera den på en pad i 30 till 60 minuter varje dag. Vissa forskningsgrupper exploaterar resonant trådlös strömöverföring (WPkvaring)

Solid-State batterier: Högre densitet och inre säkerhet

Solid-state batterier ersätta vätskan eller polymer gel elektrolyt med en keramisk eller fast polymer elektrolyt, vilket möjliggör användning av litium metallanoder för mycket högre energitäthet & mdash; potentiellt 300 & ndash; 400 Wh / L jämfört med 200 & ndash; 250 Wh / L för konventionell Li-ion. För bärbara medicintekniska produkter är den största fördelen säkerhet: fasta elektrolyter är icke-brännbara och inte läcker, eliminerar risken för termisk runaway som har plågade konsumenter.

Fängsliga fördelar för patienter och kliniska resultat

Varje av dessa kraftinnovationer översätter direkt till förbättrad användarupplevelse och hälsoutfall för personer med diabetes. Den mest omedelbara fördelen är ] utökad körtid för enhet ]. Nuvarande konstgjorda bukspottkörtelsystem kräver ofta användare att ladda sina pumpar var 24 till 72 timmar. Innovationer som tunnfilm och solid state-batterier kan förlänga det till 7 & ndash; 14 dagar eller mer, dramatiskt minska bördan av dagliga laddningsrutiner.

Vidare, ] reducerad enhetsstorlek och vikt möjliggjord av flexibla och högenergi-densitetsbatterier förbättrar komfort och diskretion. En tunnare, lättare patch kan bäras under kläder utan att sväva, minska självmedvetenhet och förbättra följsamheten, särskilt bland ungdomar och unga vuxna. ] Avancerade säkerhetsfunktioner möjliggörs av solid state och tunna filmkemier sänka batteriets svullning,

För patienter med typ 1-diabetes, kan integrationen av energi skörd så småningom leda till verkligt underhållsfria enheter som aldrig behöver tas bort för laddning, vilket möjliggör kontinuerlig sluten kontroll utan avbrott. Detta skulle vara särskilt värdefullt under sömnen, när användare annars kan ta bort en enhet för att ladda den och därmed förlora automatiserad insulinleverans över natten. Studier visar att även korta avbrott i sluten terapi kan leda till glykemiska utflykter, så oavbruten effekt är en klinisk prioritet.

Återstående utmaningar på vägen till adoption

Trots spännande framsteg måste flera hinder övervinnas innan dessa kraftinnovationer blir standard i kommersiella bukspottkörtlar.

  • Manufacturing Scalability and Cost:] Flexibla batterier och solid state-celler kräver nya produktionslinjer och material som för närvarande är dyrare än traditionell Li-ion. För en medicinteknisk produkt som kan detaljhandel för hundratals dollar, lägger till tiotals dollar till batterikostnaden är en betydande hinder. Fördelar med skala i konsumentelektronik och elfordonssektorer kommer att bidra till att sänka kostnaderna, men enhetsspecifika anpassningar (k anpassad form, biokompatibel förpackning) lägger till premium.
  • ]Durability and Lifetime:] Bärbara medicintekniska produkter måste stå emot dagligt slitage, inklusive böjning, svett, temperatur extremer och tillfälliga effekter. Flexibla batterier måste upprätthålla kapacitet för hundratals cykler utan sprickning eller fördröjning. Energi skördare måste motstå fukt och korrosion. Accelererade åldrande tester tyder på att nuvarande tunna filmbatterier kan överleva + böjningscykler, men verkliga validering över åren av användning pågår.
  • Regleringsgodkännande: Medicinska enheter kräver rigorös testning för biokompatibilitet, säkerhet och elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) för energiskördare som använder termoelektriska eller piezoelektriska material, måste nya biokompatibilitetsdata genereras. USA:s livsmedels- och drogadministration (FDA) och europeiska anmälda organ upprättar riktlinjer för flexibel elektronik, men varje ny batterikemi eller trådlös laddningssystem kräver ett varumärkesprogram för 5(10(1).
  • Användaracceptans och integration: ] Även den bästa tekniken behöver användaren inköp. Vissa patienter kan vara tveksamma till att ladda en enhet trådlöst (uppfattade strålningsproblem) eller bära en enhet med en energiskörd som känns varm eller vibrerar. Uppvärmning från trådlösa laddningsdynor måste begränsas för att undvika obehag. Designteam måste genomföra mänskliga faktorer studier för att säkerställa att laddningsritual eller underhållsfri drift anpassar sig till verkliga svängningar.
  • Miljö- och bortskaffandebetraktelser: Som med alla batterier är slutförvaring ett bekymmer. Thin-film-batterier använder ofta sällsynta eller giftiga metaller, även om många tillverkare rör sig mot återvinningsbara eller biologiskt nedbrytbara material. Branschen måste utveckla återhämtningsprogram och regler för att säkerställa korrekt återvinning.

Nästa generation av Power-Aware stängt-ljudsystem

Denna bana av bärbara strömkällor är mot intelligenta system som kombinerar flera energikällor och optimerar konsumtionen. Till exempel kan en framtida konstgjord bukspottkörtel integrera ett tunt-film primärt batteri för baslinjekraft, en solid state laddningsbar cell för toppbelastningar, en TENG eller TEG för trickle laddning under aktivitet, och trådlös laddning för toppning upp över natten. Enheten & rsquo;s mikrokontroll kan köra maskininlärningsalgoritmer för att driva efterfrågan baserat på användaren ’

Emerging teknik inkluderar också supercapacitors ] med hög effekttäthet för bristfällig leverans under boluses, tryckta batterier ]] som kan tillverkas med hjälp av rullningsprocesser som liknar tidningstryck och ]]] flexibla solceller som kan skörda omgivande ljus inomhus (även vid mycket låg effekt) vid Standslucker vid Stanford University visade nyligen en [Liv [Låt [Låt [Låt [[L]

Flera startups är redan kommersialisera flexibla medicinska batterier. Enfucell] producerar tryckta flexibla batterier som används i bärbara medicinska fläckar, och ]]]Cambridge Nanosystems] utvecklar grafenbaserade superkondensatorer. Stora medicintekniska apparatföretag som Medtronic, Insulet och Tandem Diabetes Care aktivt investerar i nästa generationskraftlösningar, vilket framgår av senaste patentmiljordrivna patentmiljordrivnarkicksprogram överstigning och partnerskap överstiger.5 miljarder dollar.

Slutsats

Innovationer i bärbara kraftkällor är inte bara stegvisa förbättringar & mdash; de är grundläggande möjliggörare för nästa våg av konstgjorda bukspottkörtelapparater. Genom att leverera längre körtider, mindre formfaktorer, inneboende säkerhet och minskad användarbörda, teknik som flexibla tunna filmbatterier, energiskörd, trådlös laddning och solid state-celler omvandlar också vad som är möjligt i hanteringen av diabetes. Eftersom dessa kraftlösningar mognar och får regulatoriskt godkännande, kommer de att tillåta individer med att uppleva verkligt kontinuerligt problemfri diabetes.