MIT研发可生物降解电池，助力可摄入医疗设备安全供电

麻省理工学院的研究人员利用对人体食用安全的材料，成功研制出可用于为可摄入电子设备供电的微型电池。这类电池能够提升设备对患者的安全性，并在设备排出体外后减少电池对环境造成的影响。

在一项新研究中，研究人员展示了这种能够产生1.84伏电压的电池，可以为两种不同类型的设备供电：一种是能够从胃部发射信号的RFID标签，另一种是能产生微弱电流以刺激饥饿激素（胃饥饿素）生成的胶囊装置。

这种电池的电极由镁和三氧化钼制成，研究人员表示，它还可用于其他具有传感或治疗功能的可摄入设备中。

麻省理工学院机械工程教授、布莱根妇女医院胃肠病学家、麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所副研究员乔瓦尼·特拉维索（Giovanni Traverso）表示："在我们开发的许多系统中，都需要电力支持，供电方式也各不相同。我们常常使用电池，所以这里的问题是：我们能否开发出一种可被人体吸收的电池，并将其应用于多个领域？"

特拉维索是这篇发表于《自然·化学工程》期刊论文的通讯作者。麻省理工学院前博士后梅赫梅特·吉拉伊汗·赛（Mehmet Girayhan Say）是该论文的第一作者。

生物相容性电池

过去十年间，特拉维索及其合作者已经开发出多种可摄入胶囊设备，能够监测生命体征、输送各类药物以及检测阿片类药物过量情况。

并非所有这些设备都需要电源。对于那些确实需要供电的设备，研究人员此前采用外部无线传能、从胃肠道内部获取能量，或使用小型纽扣电池等方式供电。然而，这些通常含有锂、氧化银或其他金属的电池，一旦其保护涂层在通过胃肠道时受损，可能会带来安全隐患。

为了打造更安全的电池，并让整个系统能够完全自主供电，无需外部电源，研究人员转而采用可作为电极材料、且少量摄入对人体安全的金属——镁和三氧化钼。

特拉维索表示："这些材料已被证实相对安全，这是我们选择的最大考量因素，我们要找到人体能够耐受的材料。"

研究人员用镁制作电池的阳极，用三氧化钼制作阴极。电池还含有离子液体凝胶电解质，整个系统都具备生物可吸收性，意味着它能被人体完全分解并吸收。研究人员设计了两种不同规格的电池以适应不同应用场景——一种是直径7.5毫米的圆盘形，另一种是长24毫米的矩形条状。

为测试电池在胃肠道中的表现，研究人员首先将其置于与胃液相似的强酸性溶液中。结果显示，电池能正常工作约三天，之后性能开始缓慢下降，几周之内便会完全分解。

随后，研究人员将矩形电池嵌入到他们于2023年首次报道的一种可降解设备中，该设备旨在向胃壁输送微弱电流。特拉维索实验室早期的研究表明，这种电流刺激能够激活胃部的内分泌细胞，促使其分泌胃饥饿素。

刺激胃饥饿素分泌，对于治疗伴有恶心或食欲减退症状的疾病可能大有裨益，例如癌症或其他慢性疾病患者常出现的恶病质（体重及肌肉量下降）。

该设备的最初版本采用两枚氧化银纽扣电池供电，与美国食品药品监督管理局（FDA）批准的可摄入设备所用电池类似。通过用新型镁-三氧化钼电池替代原有电池，研究人员使得整个设备（除印刷电路板外）几乎完全实现了生物可吸收性。任何未被吸收的部件都可以顺利通过胃肠道并排出体外。

在这项新研究中，研究人员展示了新型电池足以持续供电长达三天，产生稳定的电流刺激。动物实验表明，在胃部进行20分钟的刺激，可使胃饥饿素水平提升约50%。

赛表示："这项工作令人振奋之处在于，我们证明了生物可吸收电池不仅仅是一个概念，它确实能够在胃肠道内为具有临床意义的功能供电，然后自行溶解消失。"

电池驱动的通信功能

接下来，研究人员将该电池整合进一款RFID设备中，旨在帮助患者按时服药。这款胶囊能够通过由钼和纤维素制成的可生物吸收RFID标签，从胃肠道内部发送位置信息。

特拉维索实验室今年1月报道的早期RFID系统（名为SAFARI）采用的是被动式RFID标签，依靠收集能量供电，这在一定程度上限制了通信范围。

在新研究中，动物实验表明，圆盘形生物可吸收电池能够有效为RFID标签供电。借助这种新电池，设备可以从胃肠道内持续发射信号，且传输距离更远（最远可达1.5米）。

研究人员目前正计划针对SAFARI系统开展临床试验，预计将在约两年后启动。这类系统不仅能为患者提供更高的安全性，还能减少电池最终排入下水道系统对环境造成的影响。

特拉维索表示："这种电池的益处是双重的：一方面它具备生物可吸收性，另一方面，由于材料本身也能在环境中降解，因此还有望最大限度地减少对环境的影响。"

这项研究获得了诺和诺德、卡尔·范·塔塞尔职业发展教授基金、麻省理工学院机械工程系、布莱根妇女医院胃肠病学部以及美国高级研究计划局-健康部门（ARPA-H）的资助。

Q&A

Q1：这种可摄入设备使用的电池由什么材料制成？

A：这种电池的电极由镁和三氧化钼制成，这两种材料在少量摄入时对人体是安全的，同时还含有离子液体凝胶电解质，整个系统具备生物可吸收性，能够被人体完全分解吸收。

Q2：这种生物可吸收电池能为哪些设备供电？

A：研究显示，这种电池可以为两种设备供电：一种是能从胃部发射信号的RFID标签，用于帮助患者按时服药；另一种是能产生微弱电流、刺激胃部分泌胃饥饿素（饥饿激素）的胶囊装置，有助于治疗恶心或食欲减退等症状。

Q3：这种电池在人体内能维持多久，之后会怎样？

A：测试显示，电池在类似胃液的酸性环境中能正常工作约三天，之后性能开始缓慢下降，几周之内便会完全分解并被人体吸收或排出体外，从而降低对环境的影响。