Кожният пигмент – в основата на биоакумулатор

Литиево-йонните батерии са много разпространени, тъй като са способни дълго да задържат заряд и ефективно да снабдяват уреди и устройства със захранване.

Но тъй като те съдържат токсичен елемент – литий, е невъзможно използването им в човешкия организъм. За медицински цели са необходими специални захранващи устройства от биологично съвместими материали.

„Ако можехме безопасно да гълтаме устройствата, то множество диагностични проблеми биха били решени. Биологичните материали позволяват да се избегнат инфекциите и възпаленията, свързани с медицинските импланти. В ролята на такива материали трябва да встъпят природни вещества – вода, натрий и меланин”, казва водещият автор на изследването, материаловедът Кристофър Бетингер.

Меланинът е природен пигмент, благодарение на който кожата на човека или животното придобива загар и се защитава от вредното слънчево лъчение. Изследователите от университета Карнеги-Мелън в Питсбърг предложили да се използва меланин за създаването на напълно безопасни, биологично съвместими материали, които да се използват широко в медицинската практика за доставка на лекарства или вътрешен мониторинг на състоянието на пациента.

За създаването на биоакумулатора Бетингер и екипът му конструирали аноди от смеси вещество, съдържащо голямо количество меланин. След това в тази смес въвели натриеви йони, след което я поставили в конструкция от стоманена мрежа.

Равномерната химична структура на меланина позволява да се вместят голямо количество йони, което се явява определящ фактор за мощността на бъдещия акумулатор. Получената батерия може да държи заряд до 5 часа, което е малко по-малко от батериите на пазара, но вече е достатъчно за биологично съвместимо устройство.

В качеството на други биоматериали, които може потенциално да се използват като електроди, изследователите разглеждали и растителни вещества. Но оказва се, че за да задържат акумулаторите заряд, се изискват допълнителни химични модификации. Меланинът може да бъде използван в природната си форма, а може да бъде взет и директно от кожата на пациента.

„Идеята се състои в това, че такива технологии могат да бъдат използвани като източници на захранване за устройства, внедрявани в организма. Например те могат да контролират процеса по зарастване на рани, да доставят лекарства непосредствено в поразената област, а при приключване на лечението да се изведат от организма по естествен път. Подобни устройства може също да помогнат в лечението на тумори, счупвания и скъсани връзки”, разказва Бетингер.

Интересно е, че естественият меланин се оказал по-ефективен носител на заряд, отколкото синтетичните му аналози. Единственият проблем е краткият му живот. Ключът към решението се намира в структурата на веществото – ако се измисли как да се направи то по-поресто и по-малко плътно, времето за работата на батерията ще се увеличи.

Разработката на Бетингер и колегите му е публикувана в сп. PNAS.