Крошечный топливный элемент для питания имплантатов работает на глюкозе
Питание медицинских имплантатов энергией может быть сложным процессом, но использование тела в качестве источника энергии может поддерживать их работу в течение длительного времени. Новая конструкция крошечного топливного элемента преобразует глюкозу в электричество для питания имплантатов более эффективно, чем любая другая до сих пор.
Имплантаты, такие как кардиостимуляторы, могут работать десятилетиями, поэтому им необходимо постоянное снабжение электричеством, а кабели нельзя просто провести через тело пациента. Батареи могут быть очевидным решением, но их замена требует хирургического вмешательства. Даже с новыми достижениями в области беспроводной зарядки снаружи тела, батареи добавляют слишком много размера устройствам, которые должны быть как можно меньше и легче.
В идеале имплантаты должны быть оснащены устройствами, которые могут генерировать собственную энергию, а что может быть лучше источника энергии, чем то, что используют наши собственные клетки?
Глюкозные топливные элементы, которые преобразуют химическую энергию сахара в крови в электрическую энергию, разрабатывались десятилетиями, но у них все еще есть несколько недостатков, которые нужно сгладить. И теперь новое устройство от исследователей Массачусетского технологического института и Мюнхенского технического университета может дать некоторые ответы.
Структура нового топливного элемента во многом аналогична существующим и состоит из анода, электролита и катода.
Анод реагирует с глюкозой в жидкостях организма, производя глюконовую кислоту, процесс, который высвобождает два протона и два электрона. Электролит уносит протоны, где они смешиваются с воздухом и превращаются в безвредные молекулы воды.
Тем временем электроны собираются в цепь, где их затем можно использовать для питания имплантированного устройства.
В большинстве случаев электролиты в глюкозных топливных элементах состоят из полимеров, но теперь исследователи использовали новый материал — церий, прочную, стабильную керамику, которая хорошо проводит протоны и которая использовалась для той же работы в водородных топливных элементах.
Электроды были изготовлены из платины, которая сильно реагирует с глюкозой. Элементы были крошечными — около 300 микрометров в ширину (примерно 30 человеческих волос) и всего 400 нанометров в толщину. Чтобы проверить элементы, исследователи изготовили 150 из них на кремниевых пластинах (чипах), пролили раствор глюкозы поверх них и измерили их электрическую мощность.
Топливные элементы производили пиковое напряжение около 80 милливольт, что соответствует примерно 43 микроваттам на квадратный сантиметр. Команда ученых говорит, что это самая высокая удельная мощность среди всех глюкозных топливных элементов, сделанных до сих пор, и этого достаточно для питания имплантируемых устройств.
В дополнение к высокой производительности, керамический материал помогает дольше служить и выдерживать высокие температуры стерилизации (до 600 градусов по Цельсию) перед имплантацией.
Ученые говорят, что новый дизайн может быть превращен в ультратонкие пленки или покрытия и обернут вокруг имплантатов для пассивного питания электроники, используя обильные запасы глюкозы в организме.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.