Biobaterias ingeríveis do tamanho de cápsulas podem permitir uma nova visão do sistema digestivo

As empresas de tecnologia desenvolveram muitos dispositivos que funcionam fora do corpo, como telefones celulares, relógios inteligentes, tablets e centenas de outros. Dentro do corpo, embora? Isso é obviamente mais complicado por vários motivos, mas o poder de um dispositivo é um grande problema.

Os pesquisadores de biobateria da Universidade de Binghamton acham que têm uma solução para o intestino delgado difícil de alcançar, que envolve o intestino humano em uma média de 22 pés.

O professor Seokheun “Sean” Choi, membro do corpo docente do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Faculdade de Engenharia e Ciências Aplicadas Thomas J. Watson, liderou uma equipe que incluía Ph.D. estudantes Maryam Rezaie e Zahra Rafiee em pesquisa recentemente publicada na revista Materiais Energéticos Avançados.

“Existem algumas regiões do intestino delgado que não são acessíveis, e é por isso que as câmeras ingeríveis foram desenvolvidas para resolver esse problema”, disse Choi. “Eles podem fazer muitas coisas, como imagens e detecção física, até mesmo a administração de medicamentos. O problema é a energia. Até agora, os eletrônicos estão usando baterias primárias que têm um orçamento de energia finito e não podem funcionar a longo prazo.”

A solução da equipe Watson baseia-se nas descobertas que Choi fez na última década sobre a utilização de bactérias para criar baixos níveis de eletricidade que pode alimentar sensores e conexões Wi-Fi como parte da Internet das Coisas.

Outras opções dentro do intestino delgado são menos viáveis: as baterias tradicionais são potencialmente prejudiciais, a transferência de energia sem fio de fora do corpo é ineficiente, as diferenças de temperatura não são suficientes para aproveitar a energia térmica e o movimento intestinal é muito lento para a energia mecânica. Em vez disso, as biobaterias de Choi utilizam células de combustível microbianas com bactérias Bacillus subtilis formadoras de esporos que permanecem inertes até atingirem o intestino delgado.

“Como você faz sua microcélula de combustível funcionar seletivamente no intestino delgado? Usamos uma membrana sensível ao pH que requer certas condições para ser ativada”, disse Choi. “Quando você olha para o nosso trato gastrointestinal, o esôfago tem um pH neutro, igual ao do intestino delgado, mas o tempo de trânsito é de apenas 10 segundos. Ele não será ativado nessa área e nunca funcionará no estômago porque o estômago tem um pH muito baixo. Só funciona no intestino delgado.”

Choi sabe que algumas pessoas podem se recusar a ingerir bactérias, mas nossos corpos estão cheios de micróbios não tóxicos que ajudam na digestão e em outras funções.

“Usamos esses esporos como um biocatalisador inativo e armazenável”, disse ele. “Os esporos podem ser germinados quando os nutrientes estão disponíveis, e podem retomar a vida vegetativa e gerar energia.”

Embora esta pesquisa tenha acabado de ser publicada, Choi e seus alunos já estão olhando para o futuro para melhorar o tamanho da cápsula biobaterias. Uma vez que a célula de combustível atinge o intestino delgado, leva até uma hora para germinar completamente – mais rápido seria melhor. A célula gera cerca de 100 microwatts por centímetro quadrado de densidade de energia – o suficiente para transmissão sem fio, mas 10 vezes mais ofereceria muito mais opções de uso. As baterias também exigiriam testes em animais e humanos, bem como estudos de biocompatibilidade.

Choi pode prever vários usos que as células de combustível microbianas de baixo nível poderiam fornecer, incluindo sensores biológicos e químicos, sistemas de administração de drogas e dispositivos de estimulação elétrica.

“Acredito que nosso célula de microcombustível tem um enorme potencial, mas temos um longo caminho a percorrer”, disse ele.