权力在人工泛美系统中的关键作用

人工胰岛素系统,也称闭眼胰岛素输送系统,是过去十年糖尿病管理中最显著的进步之一。 这些设备通过连续的葡萄糖监测器(CGM)持续监测间质葡萄糖水平,并通过胰岛素泵自动调整胰岛素的提供,模仿健康的胰岛素功能。 这种闭眼操作要求不断可靠的电力供应和mdash;不仅运行传感器和泵发动机,而且还为部件、机载算法、安全检查和用户界面之间的无线通信提供动力。 任何中断供电,即使是几分钟,都会导致丧失对糖体的控制、潜在的缺血或超高血糖以及设备故障。 随着这些系统越来越小、更加谨慎和更加融入日常生活,对提供延长运行时间、紧凑的成因素的创新型电源的需求,以及方便用户的再充电已经成为设备制造商和研究人员的当务之急。

闭环设备中的电能消耗实值

现代人工胰岛素系统通常结合了几个子系统,每个子系统都有自己的电能配置. CGM组件,包括电化学传感器,发报机,和天线, 可以在稳定状态下从50到200微瓦之间抽取, 在数据传输过程中达到峰值. 胰岛素泵包括一个微运动和活塞, 在发波过程中可以抽取几百毫瓦, 尽管随着时间的推移平均功率较低. 控制算法经常运行在专用微控制器或智能手机上, 增加了计算负荷. 此外, 许多系统都包含一些安全特性, 如冗余处理器, 振动电动机用于警报, 以及备用电池用于故障安全操作等, 这些组件平均需要约300到1000毫瓦, 峰值需求可以显著地高. 对于一个必须连续运行数天甚至数周的装置来说, 能量储存能力至少10到30瓦时是常见的和mdash; 以一个舒适、灵活和安全的可穿戴的可穿饰因素, 也是工程的核心挑战.

可穿戴的电源存储和生成中的突破

研究团队和公司认识到传统硬锂离子电池在医疗可穿戴性方面的局限性,正在采取多种平行途径为下一代人造胰腺装置提供动力。 以下创新代表了目前开发或早期商业化最有希望的方向。

弹性薄膜电池

弹性薄膜电池是使用固态电解层和薄电极膜等软底质积在聚合物或纺织品上制造的,与传统的邮袋电池不同,这些电池可以弯曲、扭矩并符合人体的曲面而不会失去光泽或容量。最近的革新包括了可打印电极和锌基化学体的锂-聚变体,避免了可燃有机电解物,改善了医疗应用的安全。对原型设备的临床评价表明,灵活电池至少可以提供7天的持续运行,同时保持数千个弯曲周期。对于腹部或臂上穿戴的人工胰脏补丁,可以直接融入设备套房,从而消除对单独电池舱的需求并降低整体厚度。最近的革新包括了可打印电极和锌基化学体,从而避免了可燃有机电解体,改善了医疗应用的安全。对于单电荷的弹性电池的临床评价表明,在48小时后,只有24小时的充电能持续,可以大幅度改进。

从机体和环境获取能源

解决电力挑战的最优雅的解决方案之一是从穿戴者或自体或周围环境中挖掘出能量,减少或消除外部充电的需要。

能源开采

皮耶佐电能和电磁发电机可以将身体运动转化为电能. 嵌入于人工胰腺补丁或穿入带子上的小型装置可以从行走,手臂运动甚至呼吸中获取能量. 加利福尼亚大学圣迭戈分校的研究表明,一个灵活的皮耶佐电能收割机从正常行走的相干和mdash中产生高达1毫瓦; 足够为低功率的CGM发射机提供动力,但对整个系统来说仍然不足. 将多台收割机或与超电能器相融合以提供爆裂电能,是一种很有希望的方法. Triboe电能纳米发电机(TENG),它通过滑动材料之间的接触产生电能,也经过了测试. 自然通信 发表一项2023研究报告称,一个皮肤可移动式的TENG,它在典型运动下产生高达5毫瓦,尽管长期耐耐性和信号仍为工程障碍。

热能收获

热电发电机(TEGs)利用皮肤(~32–34°C)和环境空气之间的温度差来产生电压. 柔性热电材料的进步,如双毛丝短毛丝网和有机聚合物,提高了可穿戴的TEG的功率,达到20–50 μW/cm2. 虽然光是光是操作整个人工胰脏还不够,但TEGs可以补充电池的功率,将设备运行时间延长了20–30%. MIT的研究人员演示了将TEG阵列整合到软硅素补丁,实现舒适接触和稳定的输出的原型. 最大限制是穿着好衣服的机体温度梯度最小;在更冷的环境中或在空气温度与皮肤温度相差很大时,性能得到提高.

生物燃料小组

更未来的方法是使用酶或微生物来从汗液或间质液中的葡萄糖或乳酸中产生电力。 酶生物燃料细胞(EBFC)理论上可以从生理上葡萄糖水平产生高达1毫瓦/平米的活性。 由于燃料由机体持续提供,该装置可以无限期地运行,而无需充电。 实际挑战包括:酶在几天和几周内的稳定、电极的坏坏坏坏和与代谢状态的功率输出变化。 慕尼黑技术大学最近的工作显示,EBBC在体外维持了80%以上的初始功率输出,一些公司正在探索如何将自己和胰岛泵同时供电的CGM传感器整合。 然而,还没有批准将生物燃料电池用于医疗设备,并且正在建立监管路径。

无线充电无缝日常使用

感应无线充电已经成为智能手机的标准,目前正在为医疗用可穿戴设备进行改造。对于人工胰腺设备,无线充电消除了接触接触接触、减少感染风险和简化防水的需要。新的回声接合系统可以通过几毫米皮肤接触层充电,允许用户只需在平板上放电30至60分钟即可充电。一些研究小组正在探索在更高的频率(6.78兆赫)进行回声无线放电,以实现更大的空间自由。 此外,正在测试使用低功率无线电频率超空充电的概念,尽管效率很低(远远低于1%),而且不可能为活泵提供有意义的电。 然而,即使是有限的RF微调电,也可以保持备用超级电源,以备紧急情况。

固态电池:密度和内置性较高

固态电池用陶瓷或固态聚合物电解质来取代液态或聚合物电解质,使锂金属阳极可用于高得多的能密度和mdash;潜在300–400 Wh/L相对于200–250 Wh/L用于常规的利离子,最大优点是安全性:固态电解质是非易燃而不会出漏,消除了困扰一些消费电子的热出跑去的风险。蓝色溶液和等公司正在扩大汽车和消费者应用的锂阳极子[的生产规模,但也正在出现一些较小的可穿戴因素。一个固态电池,信用卡的大小可以为人工的平板供电,为期两周或更长时间。主要挑战是制造成本和高温处理,尽管最近在冷结膜和印刷的固态电解质中取得了进步,但正在减少这些障碍。

患者和临床结果的有形福利

这些动力创新都直接转化为糖尿病患者的用户体验和健康结果的改善。最直接的好处是延长设备运行时间。 目前的人工胰腺系统往往要求用户每24至72小时给泵充电。 薄膜和固态电池等创新可以将时间延长至7–14天或更多天,从而大大地减轻日常充电的负担。 这种便利鼓励了一致的使用,这与更好的甘油控制有关。 2022年的一项研究在 Diabetes Technology & amp; Therapeutics中发现,由于中断次数减少和警报疲劳乏,每周充电次数少于1次的用户比每天充电时间(70–180 mg/dL)多12%。

此外,[]由于灵活和高能密度电池而使装置尺寸和重量降低[,这可以提高舒适度和自由裁量度,在衣物下穿更薄、更轻的补丁,而不会膨胀,减少自觉性并增强遵守性,特别是在青少年和年轻人中。 [] 固态和薄薄膜化学装置的先进安全特性[ 降低电池故障、膨胀或过热的风险,这些特性虽然罕见,但与常规锂离子电池有关。无线充电可以消除港口机械磨损和污染问题,增加装置寿命并减少召回。

对于1型糖尿病患者来说,能收割的结合最终会导致真正无维护装置,而这种装置从不需要去除充电,从而能够不间断地连续地进行闭路控制。 这在睡眠期间尤其有价值,因为用户可能去除一个装置充电,从而在一夜之间失去自动胰岛素的投放。 研究表明,即使是闭路疗法的短暂中断,也能导致甘油外出,因此不间断的电源是临床优先。

收养道路上的其余挑战

尽管取得了令人振奋的进展,但必须克服若干障碍,才能使这些动力创新成为商业人工胰腺装置的标准。

  • 制造可伸缩性和成本: 弹性电池和固态电池需要新的生产线和材料,目前比传统的Li-ion更昂贵。 对于可能零售数百美元的医疗设备,电池成本增加数十美元是一个重大障碍。 消费电子和电动车辆部门的规模经济将有助于降低成本,但设备定制(定制形状,生物兼容包装)会增加溢价。
  • 耐久性和寿命:可穿戴的医疗器械必须能承受每天的磨损,包括弯曲,出汗,温度极端,以及偶发的撞击等. 弹性电池必须维持数百个循环的容量而不会裂解或去光泽. 收取能源者必须能抵御湿度和腐蚀. 加速的老化测试表明,目前的薄膜电池能够活过1000+弯曲循环,但实际世界在多年的使用中正在进行验证.
  • 监管批准:[ 医疗设备需要严格测试生物兼容性、安全和电磁相容性(EMC)。对于使用热电或相邻电能材料的收取能源者,必须生成新的生物相容性数据。美国食品和药品管理局和欧洲通知的机构正在为灵活的电子产品制定准则,但每个新型电池化学或无线充电系统都需要预先市场批准或510(k)提交,并附有大量文件。 FDA在为人工胰腺元组件提供路径方面一直积极主动,但与能源有关的提交仍需要12和ndash;18个月。
  • 用户接受和整合:[ 即使最好的技术也需要用户的接受。有些病人可能对于无线充电设备(透视辐射问题)或携带能收发器感到温暖或振动的装置犹豫不决。 从无线充电垫取暖必须受到限制以避免不适。设计小组必须进行人的因素研究,以确保充电仪式或无维护操作与现实世界的行为保持一致。
  • 环境和处置考虑: 与所有电池一样,报废处理是一个问题。薄膜电池经常使用稀有或有毒的金属,尽管许多制造商正在转向可回收或可生物降解的材料。 工业必须制定回收方案和条例以确保适当的再循环。

展望未来:下一代电力-软件闭环系统

可穿戴的动力源的轨迹是向集聚多种能源和优化消耗的智能系统发展。例如,未来的人工胰腺可能结合一个薄膜初级电池,用于基线功率,用于峰值负荷的固态充电电池,用于活动期间的微充电的TENG或TEG,以及用于上充电的无线充电。设备’微控制器可以运行机器学习算法,以预测基于用户&rsquo的电力需求;活动模式和调整胰岛素输送调度,以与可用的能相配合。这 电感闭-发光控制 代表了电能电子、材料科学和AI的趋同。

新兴技术还包括功率密度高的超能电容器,用于在波尔兹发作时的快递;能使用类似于报纸印刷的滚入工艺制造出被打印出电池[;能灵活地太阳能电池[,这些电池可以收获室内环境光(尽管功率很低 。 斯坦福大学的研究人员最近展示了自能生物传感器[,该电池使用葡萄糖生物燃料电池来运行传感器和无线发射机,这说明在人工胰腺素完全不需要外部电源的情况下有可能出现的未来。

几个新开办企业已经在将灵活的医疗电池商业化。 Enfucell生产了可穿戴的医疗补丁中使用的印刷的灵活电池, 剑桥纳米系统[正在开发以石墨为主的超电容器。 诸如Metronic、Insulet和Tandem Diabetes Care等主要医疗设备公司正在积极投资下一代的电力解决方案,最近专利备案和与电池启动公司的伙伴关系就是证明。 2028年前,可穿戴医疗设备电池的市场预计将超过50亿美元,人工胰腺系统是关键增长部分。

结论

耐穿电源的创新不仅仅是渐进的改进和mdash;它们也是下一轮人工胰岛素装置的基础增强因素。 通过提供更长的运行时间、更小的形式因素、固有的安全性以及减少用户负担,软薄膜电池、能源收割、无线充电和固态细胞等技术正在改变糖尿病管理中可能实现的目标。 随着这些动力解决方案的成熟并获得监管批准,它们将使糖尿病患者体验真正连续的、无忧无虑的胰岛素自动投放。 其结果不仅会更好,而且会有意义地提高生活质量和mdash;使用户免于设备充电和电池故障的不断焦虑。 人工胰岛素系统的未来是光明的,而且它通过创新而获得动力。