Yutulabilen, Kağıt Tabanlı Pil Geliştirildi: Tıbbi İlaçlara Günlerce Enerji Sağlayacak

Bilim insanları, yutulmak üzere tasarlanmış ve vücudun içinde bir tıbbi cihazı çalıştırdıktan sonra parçalanarak ortadan kaybolabilen bir pil geliştirdi. MIT öncülüğündeki araştırmacılar, kağıt benzeri yapıya sahip, küçük ve biyolojik açıdan emilebilen bir pil tasarladı. Domuzlar üzerinde yapılan deneylerde pil, mideye gönderilen elektronik cihazları üç güne kadar çalıştırmayı başardı.

Araştırmacılar teknolojiyi iki farklı uygulamada test etti. Bunlardan biri, yutulan kapsülün sindirim sistemi içerisindeki konumunun kablosuz olarak takip edilmesini sağladı. Diğeriyse mideye elektriksel uyarı vererek açlığın düzenlenmesinde rol oynayan ghrelin hormonunun salgılanmasını tetikledi.

Yeni pilin en önemli özelliği ise görevini tamamladıktan sonra geleneksel piller gibi vücutta kalmaması. Pil zamanla parçalanıyor ve bileşenleri küçük miktarlarda vücut tarafından emilebiliyor.

Elektronik hapların en büyük sorunlarından biri: Enerji

Aslında yutulabilir tıbbi cihazlar yeni değil. Kapsül kameralar yıllardır sindirim sisteminin görüntülenmesinde kullanılıyor. Bilim insanları ayrıca sağlık verilerini takip edebilen, ilaç salabilen veya dokulara elektriksel uyarı gönderebilen 'elektronik haplar' üzerinde çalışıyor. Ancak bu cihazların ortak bir sorunu var: Elektriğe ihtiyaç duyuyorlar.

Geleneksel piller gereken enerjiyi sağlayabiliyor ancak bunların sindirim sistemi içinde kullanılması birtakım riskler taşıyor. Pilin koruyucu dış katmanının zarar görmesi veya cihazın sindirim kanalında sıkışması durumunda güvenlik sorunları ortaya çıkabiliyor. Bazı deneysel cihazlar enerjiyi doğrudan vücuttan elde ederken bazıları dışarıdan kablosuz olarak enerji alabiliyor. Ancak bu yöntemler her uygulama için uygun değil.

MIT Makine Mühendisliği Profesörü ve Brigham and Women's Hospital gastroenteroloğu Giovanni Traverso liderliğindeki ekip bu nedenle farklı bir soru sordu: Vücut içerisinde çalıştıktan sonra kendiliğinden ortadan kalkabilen bir pil üretilebilir mi?

ZME Science'a konuşan Traverso, geliştirdikleri birçok sistem için enerjiye ihtiyaç duyduklarını ve bunu farklı yöntemlerle sağladıklarını belirterek, "Çoğu zaman pil kullanıyoruz. Buradaki soru şuydu: Biyolojik olarak emilebilen bir pil geliştirip bunu farklı uygulamalarda kullanabilir miyiz?" dedi.

Bitkilerden ve şeker ambalajlarından ilham aldılar

Araştırmacıların geliştirdiği pilde elektrotlardan biri magnezyumdan, diğeri ise molibden trioksitten üretildi. Her iki malzeme de zaman içerisinde vücutta parçalanabiliyor ve bileşenleri küçük miktarlarda emilebiliyor.

Pil ayrıca elektrik yüklü parçacıkların iki elektrot arasında hareket etmesini sağlayan biyolojik olarak parçalanabilir bir jel içeriyor. Elektrik enerjisi de bu süreçte üretiliyor. Cihazın kağıdı andıran yapısında ise bitkilerin hücre duvarlarının temel bileşenlerinden selüloz kullanıldı.

Araştırmacılar tasarım sırasında bazı şekerlemelerde kullanılan yenilebilir pirinç kağıtlarından da ilham aldı. Ortaya çıkan pil 1,84 volta kadar elektrik üretebiliyor. Bu değer küçük elektronik bileşenlerin çalıştırılması için yeterli. Ekip biri küçük ve dairesel, diğeri daha büyük ve dikdörtgen olmak üzere iki farklı pil tasarladı.

Midede üç gün çalışıyor

Ancak araştırmacıların çözmesi gereken temel bir çelişki vardı: Pil, tıbbi cihazı yeterince uzun süre çalıştıracak kadar dayanıklı olmalı ancak sonrasında vücudun içinde kalmayıp parçalanmalıydı. Bilim insanları ilk olarak pilleri yapay mide sıvısına yerleştirdi.

Pil üzerine uygulanan koruyucu balmumu kaplamanın cihazın yaklaşık üç gün boyunca çalışmasını sağladığı görüldü. Bu sürenin ardından pilin performansı düşmeye başladı ve yapı takip eden haftalarda kademeli olarak parçalandı.

Bir sonraki aşamada piller özel kapsüller ve endoskopik ekipman yardımıyla domuzların midelerine yerleştirildi. Üç günün ardından çıkarılan pillerin hâlâ kullanılabilir düzeyde elektrik kapasitesine sahip olduğu görüldü.

İlacın gerçekten yutulup yutulmadığını bildirebilir

Araştırmacılar daha sonra pilin gerçek bir elektronik cihazı çalıştırıp çalıştıramayacağını test etti. İlk deneyde pil, RFID etiketi olarak bilinen küçük bir kablosuz takip cihazının bulunduğu kapsüle yerleştirildi.

Pil tarafından çalıştırılan sistem, vücudun dışındaki bir okuyucuyla iletişim kurabiliyor. Böylece kapsülün sindirim sistemine ulaştığı tespit edilebiliyor. Domuzlar üzerinde yapılan deneylerde sinyaller hayvanların vücudundan geçerek yaklaşık 1,5 metre uzaktaki okuyucuya ulaşmayı başardı.

Araştırmacılara göre böyle bir sistem gelecekte hastaların reçete edilen ilaçları gerçekten alıp almadığının doğrulanmasında bile kullanılabilir. Doktorlar böylece yalnızca hastanın beyanına güvenmek yerine ilacın yutulduğunu elektronik olarak teyit edebilir.

Mideyi uyardı, açlık hormonu yüzde 50'ye kadar arttı

İkinci deney ise teknolojinin doğrudan tedavi amacıyla kullanılabileceğini gösterdi. Araştırmacılar pili, mide duvarına küçük elektrik darbeleri göndermek üzere tasarlanmış başka bir kapsüle yerleştirdi.

Daha önceki araştırmalar, midenin elektriksel olarak uyarılmasının açlığın düzenlenmesinde rol oynayan ghrelin hormonunun salgılanmasını etkileyebileceğini göstermişti.

Bu yaklaşımın gelecekte kanser veya diğer kronik hastalıklar nedeniyle ciddi iştah kaybı yaşayan kişilerde kullanılması ihtimali araştırılıyor. Yeni deneylerde kapsül, üç güne kadar kesintisiz elektriksel uyarı sağlayabildi.

Araştırmacılar domuzların midesini 20 dakika boyunca uyardığında kandaki ghrelin seviyelerinin yüzde 50'ye varan oranlarda yükseldiğini tespit etti.

Pil çözünüyor ama cihazın tamamı henüz çözünmüyor

Sonuçlar umut verici olsa da teknolojinin önemli bir sınırlaması var: Şimdilik yalnızca pil biyolojik olarak emilebilir durumda. Pilin enerji sağladığı elektronik sistemlerin tamamı vücutta çözünebilen malzemelerden üretilmedi.

Örneğin mideyi uyaran kapsülde geleneksel bir devre kartı bulunurken, takip sisteminde küçük bir elektronik çip kullanıldı. Dolayısıyla bu parçaların ya sindirim sisteminden doğal yollarla atılması ya da gelecekte biyolojik olarak parçalanabilen alternatiflerle değiştirilmesi gerekiyor.

Bir diğer önemli nokta ise deneylerin şimdiye kadar yalnızca domuzlarda gerçekleştirilmiş olması. İnsanların sindirim sistemindeki değişken koşullarda pilin güvenli, güvenilir ve etkili olup olmadığının ayrıca araştırılması gerekiyor.

Teknoloji insanlarda da başarılı olursa gelecekte elektronik haplar vücudun içinden sağlık verilerini takip edebilir, ilaç veya elektriksel tedavi uygulayabilir ve görevlerini tamamladıktan sonra büyük ölçüde parçalanarak ortadan kaybolabilir.