Biocompatible electrolyte could enable safer implantable batteries / L'elettrolita biocompatibile potrebbe consentire batterie impiegabili più sicure

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Artistic rendering of fibre-shaped implantable batteries using biocompatible electrolytes / Rappresentazione artistica delle batterie impiantabili a fibre usando elettroliti biocompatibili

Chinese researchers have developed flexible implantable batteries which could be used as an alternative to lithium-ion in medical and wearable devices.

Implantable batteries that run on the type of saline used in intravenous drips or on a cell culture medium that contains compounds already found in the body could provide a safer and more easily shaped alternative to the lithium ion batteries most commonly used for miniaturised electronic devices, whether these are medical devices surgically implanted into the body or wearables for medical or other applications, according to research published by chemists at Fudan University in Shanghai.
“Current batteries like the lithium-ion ones used in medical implants generally come in rigid shapes,” explained Prof Yonggang Wang of the university’s Collaborative Innovation Centre of Chemistry for Energy Materials, co-senior author on the paper in the journal Chem.
“Additionally, most of the reported flexible batteries are based on flammable organic or corrosive electrolytes, which suffer from safety hazards and poor biocompatibility for wearable devices, let alone implantable ones.”
The rigidity of these batteries is generally caused by the addition of protective materials to prevent leakage of electrolytes, Wang’s team explains. Replacing these potentially hazardous materials with biocompatible fluids allows sodium-ion batteries to be made, which are slimmer and more flexible than lithium ion versions. The team tested two biocompatible electrolytes: simple saline, of the same types used in intravenous treatments as a solvent for active drug ingredients, and a cell-culture solution that contains amino acids, sugars and vitamins, designed to mimic the fluid that surrounds living cells in the body. They also tested sodium sulphite, which is non-biocompatible but stable and inert, as an electrolyte for batteries for external wearable devices.
The team designed two types of flexible battery for use with these electrolytes: a two-dimensional version composed of electrode films applied to a steel mesh, and a one-dimensional structure with electrode material nanoparticles attached to a carbon nanotube backbone. In both cases, the battery cathode was made from Na_0.44MnO₂ and the anode from NaTi₂(PO₄)₃@C. With sodium sulphite as the electrolyte, these batteries displayed higher charge-holding ability (indicating how long they would supply power) and power output for their size than lithium ion batteries. For the biocompatible electrolytes, the charge-holding value was slightly lower, but this could be because they had lower sodium ion concentrations. The performance was not affected by bending the batteries.
An unexpected result was that the nanofiber structures can accelerate the conversion of dissolved oxygen into hydroxide ions. This can harm battery effectiveness, but might itself have applications in cancer treatment, as tumors can be shrunk by depriving them of their oxygen supply. “We can implant these fibre-shaped electrodes into the human body to consume essential oxygen, especially for areas that are difficult for injectable drugs to reach,” said Wang.
“Deoxygenation might even wipe out cancerous cells or pathogenic bacteria since they are very sensitive to changes in living environment pH. Of course, this is hypothetical right now, but we hope to investigate further with biologists and medical scientists.”

ITALIANO

I ricercatori cinesi hanno sviluppato delle batterie implantibili flessibili che potrebbero essere utilizzate come un'alternativa agli ioni di litio in dispositivi medicali e portatili.
Le batterie impiantabili che utilizano il tipo di soluzione salina usata in gocce per via endovenosa o su un supporto di coltura cellulare che contengono composti già presenti nel corpo potrebbero fornire un'alternativa più sicura e più facilmente formata alle batterie agli ioni di litio più comunemente utilizzate per dispositivi elettronici miniaturizzati. Questi sono dispositivi medici chirurgicamente impiantati nel corpo o indossabili per applicazioni mediche o altre applicazioni, secondo la ricerca pubblicata dai chimici della Fudan University di Shanghai.
"Le batterie correnti come gli ioni di litio utilizzate negli impianti mediche sono generalmente in forme rigide", ha spiegato Prof. Yonggang Wang del Centro di Innovazione Collaborativa dell'Università di Chimica per i Materiali Energetici, autore co-autore del giornale nella rivista Chem.
"Inoltre, la maggior parte delle batterie flessibili riportate si basa su elettroliti infiammabili organici o corrosivi, che soffrono di pericoli di sicurezza e di una scarsa biocompatibilità per i dispositivi indossabili, anzi impiantabili".
La rigidità di queste batterie è generalmente causata dall'aggiunta di materiali protettivi per prevenire perdite di elettroliti, spiega la squadra di Wang. Sostituire questi materiali potenzialmente pericolosi con fluidi biocompatibili consente di realizzare batterie di sodio ione, più snelle e più flessibili delle versioni ioniche. IL gruppo ha testato due elettroliti biocompatibili: semplice soluzione salina, degli stessi tipi utilizzati nei trattamenti endovenosi come solvente per gli ingredienti attivi del farmaco e una soluzione di coltura cellulare che contiene aminoacidi, zuccheri e vitamine, progettata per imitare il fluido che circonda le cellule viventi nel corpo. Essi hanno inoltre verificato il solfito di sodio, che non è biocompatibile ma stabile e inerte, come elettrolito per le batterie per dispositivi esterni indossabili.
Il gruppo ha progettato due tipi di batterie flessibili per l'uso con questi elettroliti: una versione bidimensionale composta da pellicole di elettrodi applicate ad una maglia d'acciaio e una struttura unidimensionale con nanoparticelle di materiale simile all'elettrodo attaccato ad una spina dorsale di nanotubi di carbonio. In entrambi i casi il catodo della batteria è stato prodotto da Na0.44MnO2 e dall'anodo da NaTi2 (PO4) 3 @ C. Con il solfito di sodio come elettrolita, queste batterie hanno mostrato un'elevata capacità di carica (indicando la durata di alimentazione) e l'uscita di potenza per le loro dimensioni rispetto alle batterie agli ioni di litio. Per gli elettroliti biocompatibili, il valore di carica era leggermente inferiore, ma questo potrebbe essere dovuto al fatto che avevano minori concentrazioni di ioni di sodio. La prestazione non è stata influenzata dalla piegatura delle batterie.
Un risultato inaspettato è che le strutture nanofibre possono accelerare la conversione dell'ossigeno disciolto in ioni idrossido. Ciò può danneggiare l'efficacia della batteria, ma potrebbe avere applicazioni nel trattamento del cancro, poiché i tumori possono essere ridotti privandoli della loro disnonibilità  di ossigeno. "Possiamo impiantare questi elettrodi a forma di fibra nel corpo umano per consumare ossigeno essenziale, soprattutto per le aree difficili da raggiungere per i farmaci iniettabili", ha detto Wang.
"La deossigenazione potrebbe anche eliminare cellule cancerose o batteri patogeni, in quanto sono molto sensibili ai cambiamenti nel pH ambiente di vita. Naturalmente, questo è ipotetico adesso, ma speriamo di indagare ulteriormente con i biologi e gli scienziati medici ".

Da:

https://www.theengineer.co.uk/biocompatible-implantable-batteries/?cmpid=tenews_3779595&adg=CA40D8F0-63B9-4BE1-90A0-3379B1DDE40E