Ключевые выводы
- Исследователи Массачусетского технологического института разработали новую силовую ячейку, которая работает на глюкозе вашего тела.
- Клетки могут питать медицинские устройства и помогать людям, которые для удобства вживляют электронные гаджеты в свое тело.
- Имплантируемые устройства должны быть как можно меньше, чтобы свести к минимуму их воздействие на пациентов.
Ваше собственное тело может стать источником энергии для будущих гаджетов.
Ученые Массачусетского технологического института разработали топливный элемент, работающий на глюкозе, который может питать миниатюрные имплантаты и датчики. Устройство имеет размеры около 1/100 диаметра человеческого волоса и генерирует около 43 микроватт на квадратный сантиметр электричества. Топливные элементы могут быть полезны в медицине и небольшом, но растущем числе людей, которые для удобства вживляют в свое тело электронные гаджеты.
«Топливные элементы с глюкозой могут стать полезными для питания имплантируемых устройств с использованием топлива, легко доступного в организме», - Филипп Саймонс, который разработал конструкцию в рамках своей докторской диссертации. тезис, сказал Lifewire в интервью по электронной почте. «Например, мы планируем использовать наш топливный элемент с глюкозой для питания очень миниатюрных датчиков, которые измеряют функции организма. Подумайте о мониторинге уровня глюкозы у пациентов с диабетом, мониторинге состояния сердца или отслеживании биомаркеров, которые определяют эволюцию опухоли».
Крошечный, но могучий
Самой большой проблемой при разработке нового топливного элемента было придумать конструкцию, которая была бы достаточно маленькой, сказал Саймонс. Он добавил, что имплантируемые устройства должны быть как можно меньше, чтобы свести к минимуму их воздействие на пациентов.
«В настоящее время батареи очень ограничены в том, насколько они могут быть маленькими: если вы сделаете батарею меньше, это уменьшит количество энергии, которую она может обеспечить», - сказал Саймонс. «Мы показали, что с устройством, которое в 100 раз тоньше человеческого волоса, мы можем обеспечить энергию, достаточную для питания миниатюрных датчиков».
Учитывая, насколько малы наши топливные элементы, можно представить имплантируемые устройства размером всего несколько микрометров.
Саймонс и его сотрудники должны были сделать новое устройство способным генерировать электричество и достаточно прочным, чтобы выдерживать температуры до 600 градусов по Цельсию. При использовании в медицинском имплантате топливный элемент должен пройти процесс высокотемпературной стерилизации.
Чтобы найти материал, способный выдерживать высокую температуру, исследователи обратились к керамике, которая сохраняет свои электрохимические свойства даже при высоких температурах. Исследователи предполагают, что новая конструкция может быть превращена в ультратонкие пленки или покрытия и обернута вокруг имплантатов для пассивного питания электроники, используя обильные запасы глюкозы в организме.
Идея нового топливного элемента возникла в 2016 году, когда Дженнифер Л. М. Рупп, научный руководитель Саймонса и профессор Массачусетского технологического института, специализирующаяся на керамике и электрохимических устройствах, во время беременности сдала анализ на глюкозу.
«В кабинете врача я был очень скучающим электрохимиком, думая, что можно сделать с сахаром и электрохимией», - сказал Рупп в пресс-релизе. «Тогда я понял, что было бы неплохо иметь твердотельное устройство, работающее на глюкозе. И мы с Филиппом встретились за чашкой кофе и записали на салфетке первые рисунки».
Глюкозные топливные элементы были впервые представлены в 1960-х годах, но ранние модели были основаны на мягких полимерах. Эти ранние источники топлива были заменены литий-йодными батареями.
«На сегодняшний день батареи обычно используются для питания имплантируемых устройств, таких как кардиостимуляторы», - сказал Саймонс. «Однако в этих батареях рано или поздно заканчивается энергия, что означает необходимость регулярной замены кардиостимулятора. На самом деле это огромный источник осложнений».
Будущее может быть маленьким и имплантируемым
В поисках решения для топливных элементов, которое могло бы существовать в организме бесконечно долго, команда ученых объединила электролит с анодом и катодом из платины, стабильного материала, который легко вступает в реакцию с глюкозой.
Тип материалов, из которых изготовлен новый топливный элемент с глюкозой, обеспечивает гибкость в отношении того, где его можно имплантировать в тело. «Например, он может выдерживать коррозионную среду пищеварительной системы, что может позволить новым датчикам отслеживать хронические заболевания, такие как синдром раздраженного кишечника», - сказал Саймонс.
Исследователи поместили ячейки на кремниевые пластины, показав, что устройства могут быть соединены с обычным полупроводниковым материалом. Затем они измерили ток, производимый каждой клеткой, когда они пропускали раствор глюкозы через каждую пластину на специально изготовленной испытательной станции.
Многие элементы выдают пиковое напряжение около 80 милливольт, согласно результатам, опубликованным в недавней статье в журнале Advanced Materials. Исследователи утверждают, что это самая высокая удельная мощность среди всех конструкций глюкозных топливных элементов.
Глюкозные топливные элементы могут стать полезными для питания имплантируемых устройств, использующих топливо, легко доступное в организме.
Команда Массачусетского технологического института «открыла новый путь к миниатюрным источникам питания для имплантированных датчиков и, возможно, других функций», - говорит Трулс Норби, профессор химии из Университета Осло в Норвегии, который не участвовал в работе. говорится в пресс-релизе. «Используемая керамика нетоксична, дешева и не [наименее] инертна как к условиям в организме, так и к условиям стерилизации перед имплантацией. Концепция и демонстрация на данный момент действительно многообещающие».
Саймонс сказал, что новые топливные элементы могут позволить создать совершенно новые классы устройств в будущем. «Учитывая, насколько малы наши топливные элементы, можно представить имплантируемые устройства размером всего несколько микрометров», - добавил он. «Что, если бы мы могли теперь обращаться к отдельным клеткам с помощью имплантируемых устройств?»
