Consumptie van papieren batterij levert drie dagen energie

Een batterij inslikken is normaal gesproken allesbehalve wenselijk. Onderzoekers van MIT hebben echter een batterij ontwikkeld die juist bedoeld is om in het maag-darmkanaal te functioneren en daarna grotendeels af te breken. De dunne papierbatterij leverde tijdens proeven met varkens tot drie dagen voldoende energie voor draadloze communicatie en elektrische stimulatie.

Een belangrijk obstakel voor slimme pillen is de energievoorziening. Lithium-ion- en alkalinebatterijen bevatten materialen die bij beschadiging risico’s opleveren, terwijl eerder ontwikkelde biologisch afbreekbare batterijen vaak maar weinig energie konden leveren.

Papier als basis voor elektroden

De MIT-onderzoekers kozen voor een batterij met magnesium als anode en molybdeentrioxide als kathode. In plaats van de gebruikelijke ‘dikke’ bindmiddelen worden cellulose-nanofibrillen gebruikt om de actieve materiaaldeeltjes bij elkaar te houden. Daardoor kunnen dunne, poreuze elektroden worden gemaakt die uiteindelijk weer afbreken.

Ook de elektrolyt is ontworpen met biologische afbreekbaarheid in het achterhoofd. Deze bestaat uit een ionische gel op basis van cholinechloride en melkzuur. De batterij wordt vervolgens omgeven door natuurlijke soorten was, zoals bijenwas en candelillawas. Die beschermlaag voorkomt dat maagvloeistof onmiddellijk bij de batterij komt. Door de coating aan te passen kunnen de onderzoekers bepalen hoe lang de batterij blijft functioneren voordat het afbraakproces de overhand krijgt.

1,84 volt

De batterij bereikte een maximale spanning van 1,84 volt. In experimenten met levende varkens bleef het systeem tot drie dagen in de maag functioneren. De onderzoekers demonstreerden daarmee twee concrete toepassingen.

In de eerste voedde de batterij een RFID-systeem in een capsule. Daarmee kon na het inslikken draadloos worden vastgesteld dat de capsule daadwerkelijk in het lichaam terecht was gekomen. Tijdens de experimenten was stabiele communicatie met een ontvanger op 1,5 meter afstand mogelijk.

De tweede demonstratie gebruikte de batterij voor elektrische stimulatie van de maagwand. Een capsule kon gedurende twintig minuten stimulatie leveren. Dergelijke elektroceutische technieken worden onderzocht voor aandoeningen waarbij bijvoorbeeld de maagbeweging of eetlust is verstoord. Bij de dierproeven werd volgens de onderzoekers geen noemenswaardige weefselschade door de stimulatie vastgesteld.

Nuance

De printplaat die tijdens de elektrische-stimulatieproef werd gebruikt, was nog niet biologisch afbreekbaar en werd uiteindelijk via het maag-darmkanaal uitgescheiden. Het team werkt daarom aan volgende prototypes waarin de batterij wordt gecombineerd met onder meer afbreekbare antennes en RFID-componenten. Uiteindelijk kan dezelfde energiebron ook worden gebruikt voor sensoren die bijvoorbeeld temperatuur, zuurgraad, druk, darmbewegingen of biochemische stoffen meten, maar ook voor gecontroleerde medicijnafgifte.