Kluczowe dania na wynos
- Naukowcy z MIT opracowali nowe ogniwo energetyczne, które wykorzystuje glukozę z organizmu.
- Komórki mogą zasilać urządzenia medyczne i pomagać ludziom, którzy dla wygody wszczepiają elektroniczne gadżety do swoich ciał.
- Urządzenia wszczepialne muszą być jak najmniejsze, aby zminimalizować ich wpływ na pacjentów.
Twoje własne ciało może być źródłem energii dla przyszłych gadżetów.
Naukowcy z MIT opracowali ogniwo paliwowe zasilane glukozą, które może zasilać miniaturowe implanty i czujniki. Urządzenie mierzy około 1/100 średnicy ludzkiego włosa i generuje około 43 mikrowatów na centymetr kwadratowy energii elektrycznej. Ogniwa paliwowe mogą być przydatne w medycynie i niewielkiej, ale rosnącej liczbie osób, które dla wygody wszczepiają w swoje ciała elektroniczne gadżety.
„Ogniwa paliwowe z glukozą mogą stać się przydatne do zasilania urządzeń wszczepialnych przy użyciu paliwa łatwo dostępnego w organizmie”, Philipp Simons, który opracował projekt w ramach swojego doktoratu. teza, powiedział Lifewire w wywiadzie e-mail. „Przewidujemy na przykład wykorzystanie naszego ogniwa paliwowego do pomiaru glukozy do zasilania wysoce zminiaturyzowanych czujników, które mierzą funkcje organizmu. Pomyśl o monitorowaniu glukozy u pacjentów z cukrzycą, monitorowaniu chorób serca lub śledzeniu biomarkerów, które identyfikują ewolucję guza”.
Mały, ale potężny
Największym wyzwaniem w projektowaniu nowego ogniwa paliwowego było opracowanie wystarczająco małego projektu, powiedział Simons. Dodał, że urządzenia wszczepialne muszą być jak najmniejsze, aby zminimalizować ich wpływ na pacjentów.
„Obecnie baterie są bardzo ograniczone pod względem tego, jak małe mogą się stać: jeśli zmniejszysz baterię, zmniejsza się ilość energii, jaką może dostarczyć” – powiedział Simons. „Wykazaliśmy, że dzięki urządzeniu, które jest 100 razy cieńsze od ludzkiego włosa, możemy zapewnić energię wystarczającą do zasilania miniaturowych czujników”.
Biorąc pod uwagę, jak małe jest nasze ogniwo paliwowe, można sobie wyobrazić wszczepialne urządzenia, które mają tylko kilka mikrometrów wielkości.
Simons i jego współpracownicy musieli sprawić, by nowe urządzenie było w stanie generować energię elektryczną i było wystarczająco wytrzymałe, aby wytrzymać temperatury do 600 stopni Celsjusza. W przypadku zastosowania w implancie medycznym ogniwo paliwowe musiałoby przejść przez proces sterylizacji w wysokiej temperaturze.
Aby znaleźć materiał, który mógłby wytrzymać wysokie temperatury, naukowcy zwrócili się do ceramiki, która zachowuje swoje właściwości elektrochemiczne nawet w wysokich temperaturach. Naukowcy przewidują, że nowy projekt można przerobić na ultracienkie folie lub powłoki i owinąć wokół implantów, aby pasywnie zasilać elektronikę, wykorzystując obfite zasoby glukozy w organizmie.
Pomysł na nowe ogniwo paliwowe pojawił się w 2016 roku, kiedy Jennifer L. M. Rupp, promotor Simons i profesor MIT, specjalizująca się w ceramice i urządzeniach elektrochemicznych, poszła na test glukozy podczas ciąży.
„W gabinecie lekarskim byłem bardzo znudzonym elektrochemikiem, myśląc, co można zrobić z cukrem i elektrochemią” – powiedział Rupp w komunikacie prasowym. „Wtedy zdałem sobie sprawę, że dobrze byłoby mieć urządzenie półprzewodnikowe zasilane glukozą. A Philipp i ja spotkaliśmy się przy kawie i napisaliśmy na serwetce pierwsze rysunki”.
Glukozowe ogniwa paliwowe zostały po raz pierwszy wprowadzone w latach 60-tych, ale wczesne modele były oparte na miękkich polimerach. Te wczesne źródła paliwa zostały zastąpione bateriami litowo-jodowymi.
„Do tej pory baterie są zwykle używane do zasilania urządzeń wszczepialnych, takich jak rozruszniki serca” – powiedział Simons. „Jednak te baterie w końcu wyczerpią się, co oznacza, że rozrusznik serca należy regularnie wymieniać. W rzeczywistości jest to ogromne źródło komplikacji."
Przyszłość może być mała i możliwa do wszczepienia
W poszukiwaniu roztworu ogniwa paliwowego, który mógłby trwać w nieskończoność wewnątrz ciała, zespół umieścił elektrolit z anodą i katodą wykonaną z platyny, stabilnego materiału, który łatwo reaguje z glukozą.
Rodzaj materiałów w nowym ogniwie paliwowym z glukozą zapewnia elastyczność pod względem miejsca wszczepienia go w ciało. „Na przykład może wytrzymać korozyjne środowisko układu pokarmowego, co może umożliwić nowym czujnikom monitorowanie chorób przewlekłych, takich jak zespół jelita drażliwego” – powiedział Simons.
Naukowcy umieścili ogniwa na płytkach krzemowych, pokazując, że urządzenia można sparować ze zwykłym materiałem półprzewodnikowym. Następnie zmierzyli prąd wytwarzany przez każdą komórkę, gdy przepuszczali roztwór glukozy przez każdy wafel w specjalnie wyprodukowanej stacji testowej.
Wiele ogniw wytwarzało napięcie szczytowe około 80 miliwoltów, zgodnie z wynikami opublikowanymi w niedawnym artykule w czasopiśmie Advanced Materials. Naukowcy twierdzą, że jest to najwyższa gęstość mocy spośród wszystkich ogniw paliwowych z glukozą.
Ogniwa paliwowe z glukozą mogą stać się przydatne do zasilania wszczepialnych urządzeń przy użyciu paliwa łatwo dostępnego w organizmie.
Zespół MIT „otworzył nową drogę do miniaturowych źródeł zasilania dla wszczepionych czujników i być może innych funkcji”, Truls Norby, profesor chemii na Uniwersytecie w Oslo w Norwegii, który nie wniósł wkładu w prace, powiedział w komunikacie prasowym. „Użyta ceramika jest nietoksyczna, tania i nie najmniej obojętna, zarówno w odniesieniu do warunków w ciele, jak i warunków sterylizacji przed implantacją. Dotychczasowa koncepcja i demonstracja są rzeczywiście obiecujące”.
Simons powiedział, że nowe ogniwa paliwowe mogą w przyszłości umożliwić stworzenie zupełnie nowych klas urządzeń. „Biorąc pod uwagę, jak małe jest nasze ogniwo paliwowe, można sobie wyobrazić wszczepialne urządzenia o wielkości zaledwie kilku mikrometrów” – dodał. „Co by było, gdybyśmy mogli teraz zająć się poszczególnymi komórkami za pomocą wszczepialnych urządzeń?”
