Diagnostyka medyczna tym bardziej jest skuteczna, jeśli może monitorować stan pacjenta cały czas. Do tego jednak potrzeba zwykle dostępu do odpowiedniej aparatury w trybie 24/7. W przypadku chorób i schorzeń, które nie zagrażają życiu, ale które należy dokładnie zbadać takie ograniczenia finalnie skutkują brakiem odpowiedniego monitoringu. Rozwiązaniem mogą być terapie oparte na półprzewodnikach, które pełnią rolę skanerów poszczególnych narządów układu pokarmowego. Zaaplikować można je podobnie, jak większość leków – tranzystor można połknąć niczym tabletkę. Sprawdzamy, co zmienia najnowsze badanie opublikowane na łamach Advanced Science!
Monitoring stanu zdrowia przy użyciu jadalnych tranzystorów
Naukowcy z Włoch i Serbii zbudowali tranzystor, który może pomóc w pracach nad wewnętrznym monitoringiem stanu zdrowia pacjentów. Urządzenia monitorujące układ trawienny “od wewnątrz”, zdalnie i bez bezpośredniego zastosowania aparatury medycznej, stanowią obecnie jeden z najszybciej rozwijających się trendów, jeśli chodzi o zaawansowaną diagnostykę medyczną. W opisywanym na łamach prestiżowego czasopisma Advanced Science eksperymencie nie byłoby jeszcze nic dziwnego, gdyby nie to, że mamy do czynienia z jadalnymi tranzystorami. A dokładniej takimi, które bazują na popularnych środkach stosowanych w pastach do zębów.
Ośmioosobowy zespół składający się z naukowców z różnych dyscyplin, fizyki, nanotechnologii i nauk medycznych, opracował innowacyjny model nowych, organicznych półprzewodników. Służą za nie wykonane z miedzi (II) i ftalocyjaniny (CuPc) tranzystory. Ten drugi środek znany jest ze składów wielu past do zębów i wykazuje działanie wybielające, choć, jak się okazało, nie tylko takie. Czy mamy właśnie do czynienia z przełomem, jeśli chodzi o zdalną diagnostykę medyczną?
Tranzystory na bazie pasty do zębów
Najnowszy artykuł pt. “A Fully Edible Transistor Based on a Toothpaste Pigment” (tłum. W pełni spożywalny tranzystor bazujący na pigmencie z pasty do zębów) bada opracowanie tranzystora, które mogłyby być wykorzystywane w medycynie do monitorowania działania poszczególnych części przewodu pokarmowego. Naukowcy użyli w tym celu pigment zawarty w wielu pastach do zębów, znany jako Copper(II) Phthalocyanine (ftalocyjanina; CuPc). Głównym celem badania było stworzenie tranzystora, który z jednej strony może być bezpiecznie spożywany, nie stanowiąc zagrożenia dla zdrowia, z drugiej zaś może łączyć się z zewnętrznymi urządzeniami monitorującymi i wspomagać diagnostykę.
Pomimo tego, że nie jest składnikiem żywności i z tego powodu nie jest dopuszczona do spożycia, ftalocyjanina występuje powszechnie w pastach do zębów. W rezultacie codziennie jest spożywany przypadkowo przez miliony osób w trakcie mycia zębów. Nie zaobserwowano żadnych negatywnych konsekwencji zdrowotnych, które by z tego wynikały. Autorzy oszacowali ilość Copper(II) Phthalocyanine (CuPc) spożywanej codziennie przez przypadkowe połknięcie pasty do zębów. W badaniu przyjrzano się także wcześniejszym analizom klinicznym oraz przeprowadzono symulacje laboratoryjne, aby określić ilość CuPc, która zostaje osadzona na zębach podczas mycia i ostatecznie połknięta.
Ftalocyjanina (CuPc) została następnie wykorzystana do budowy tranzystorów typu Electrolyte-Gated Organic Field Effect Transistor (EGOFET). Tranzystory te były osadzone na jadalnych podłożach (np. z etylocelulozy), a jako materiał półprzewodnikowy użyto cienkich warstw CuPc. Według badaczy oprócz tego, że mogą one być uznawane za bezpieczne do spożycia przez ludzi, tranzystory z CuPc pozostają stabilne przez ponad rok. Mogą też funkcjonować jako tranzystory sterowane elektrolitami przy napięciu poniżej 1 volta. Do zbudowania jednego takiego tranzystora nie potrzeba również dużych ilości CuPc. Według analizy przeciętna osoba spożywa około 1 mg CuPc podczas szczotkowania zębów dwa razy dziennie, a więc ok. 12 500 razy więcej niż 80 nanogramów potrzebnych do stworzenia pojedynczego układu tranzystorowego.
Badania potwierdzają skuteczność jadalnych tranzystorów
Badanie wykazało, że tranzystory stworzone na bazie CuPc są stabilne i działają przy niskim napięciu (<1V), dzięki czemu mogą bezpiecznie funkcjonować wewnątrz ciała teoretycznie nawet przez okres 12 miesięcy. Badanie optyczne i strukturalne wykazało, że CuPc tworzy stabilne warstwy na podłożach jadalnych, co umożliwia jego zastosowanie w elektronice organicznej.
Skuteczność zastosowania CuPc w produkcji jadalnych tranzystorów potwierdza jego wysoka stabilność. Badania kliniczne dowodzą, że substancja jest stabilna w powietrzu i świetle przez ponad rok, a także częściowo odporna na degradację zewnętrzną. Stabilność jest kluczowym parametrem w kontekście rozwoju elektroniki organicznej, do której zaliczają się jadalnych tranzystory współpracujące z układami monitorującymi stan zdrowia. Porównując CuPc z innymi naturalnymi półprzewodnikami, np. karotenoidami, badacze dostrzegli, że CuPc przewyższa te materiały zarówno pod względem wydajności, jak i stabilności.
Zastosowanie CuPc jest rewolucyjne przede wszystkim ze względu na wysoką stabilność w zastosowaniach medycznych i powszechne zastosowanie w sektorze higienicznym. Jednak poza CuPc dopuszcza się również inne materiały do tworzenia tranzystorów, takie jak złoto (E175), srebro (E174), etyloceluloza (E462) oraz chitozan, które zostały już zatwierdzone przez Europejski Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności (EFSA) jako bezpieczne do spożycia.
Inteligentna pigułka, która zbada Cię od wewnątrz
Najnowsze badanie wskazuje, że możliwe jest opracowanie bardziej zaawansowanych jadalnych urządzeń elektronicznych, które mogłyby monitorować stan zdrowia w czasie rzeczywistym. Jest to krok w stronę nowoczesnych, inteligentnych pigułek diagnostycznych, które mogłyby monitorować stan przewodu pokarmowego i przesyłać dane bez potrzeby nadzoru medycznego.
Rozwój jadalnej elektroniki (ang. edible electronics) jest jednym z najnowszych obszarów inżynierii biomedycznej. Tranzystor na bazie CuPc może być kluczowym krokiem nie tylko dla rozwoju diagnostyki medycznej, ale potencjalnie również innych dziedzinach, takich jak inteligentne opakowania żywności czy tagi śledzące świeżość produktów spożywczych. Już teraz funkcjonuje i ulega coraz większej popularyzacji endoskopia kapsułkowa, która – mówiąc kolokwialnie – wykorzystuje małą kamerę bezprzewodową wielkości tabletki, którą pacjent połyka. Urządzenie to, po dostaniu się do docelowego miejsca układu pokarmowego pacjenta, wykonuje zdjęcia lub filmy w celach diagnostycznych.
Przeprowadzenie takiego zabiegu wymaga jednak nadzoru lekarza, zaś po jego zakończeniu urządzenie jest wydalane. Endoskopia kapsułkowa nie jest wyposażona też w inne czujniki, więc zapewnia wyłącznie wizję. Jadalne tranzystory tworzone przez inżynierów biomedycyny rozwiązują ten problem. Urządzenia przez długi czas pozostają trwałe. Mogą być wyposażone w różnego rodzaju czujniki, badające m.in. poziomy enzymów i innych substancji chemicznych w organizmie. Pod tym względem jadalne tranzystory są technologią absolutnie przełomową.
Jadalne tranzystory z pasty do zębów – podsumowanie
Tworzenie nowoczesnych metod diagnostycznych to jedna z najbardziej rozwijających się dziedzin medycyny, na którą wpływa rozwój technologii przewodników oraz sztucznej inteligencji. Najnowsze badanie pokazuje, że istnieją środki powszechnie używane przez ludzi, takie jak Copper(II) Phthalocyanine (CuPc), które znajduje się w wielu pastach do zębów, które mogą stanowić podstawę do budowy jadalnych tranzystorów.
Wyniki badania otwierają nowe możliwości w rozwoju jadalnej elektroniki, szczególnie w kontekście inteligentnych pigułek diagnostycznych i systemów monitorowania zdrowia. Niedługo inteligentna elektronika będzie mogła całkowicie zbadać nas od wewnątrz – i to bez jakiegokolwiek dyskomfortu. Omawiane tranzystory docelowo mogą być bowiem wyposażone w różnego rodzaju detektory substancji chemicznych, które monitorowały poziom poszczególnych enzymów, poziom kwasowości i obecność różnych związków.
