Ključni izsledki
- Raziskovalci MIT so razvili novo napajalno celico, ki deluje s pomočjo glukoze v vašem telesu.
- Celice bi lahko napajale medicinske naprave in pomagale ljudem, ki zaradi priročnosti vsadijo elektronske pripomočke v svoja telesa.
- Naprave za vsaditev morajo biti čim manjše, da se zmanjša njihov vpliv na bolnike.
Vaše lastno telo je lahko vir energije za prihodnje pripomočke.
Znanstveniki MIT so razvili gorivno celico na glukozo, ki bi lahko poganjala miniaturne vsadke in senzorje. Naprava meri približno 1/100 premera človeškega lasu in ustvari približno 43 mikrovatov na kvadratni centimeter električne energije. Gorivne celice bi lahko bile uporabne v medicini in majhnem, a naraščajočem številu ljudi, ki zaradi priročnosti v svoja telesa vsadijo elektronske pripomočke.
"Grivne celice z glukozo lahko postanejo uporabne za napajanje naprav za vsaditev z uporabo goriva, ki je takoj na voljo v telesu," Philipp Simons, ki je zasnovo razvil kot del svojega doktorata. disertacijo, je povedal Lifewire v intervjuju po elektronski pošti. "Na primer, predvidevamo uporabo naše gorivne celice za glukozo za napajanje zelo miniaturiziranih senzorjev, ki merijo telesne funkcije. Pomislite na spremljanje glukoze pri bolnikih s sladkorno boleznijo, spremljanje srčnih stanj ali sledenje biomarkerjev, ki identificirajo razvoj tumorja."
Majhen, a mogočen
Največji izziv pri načrtovanju nove gorivne celice je bil izdelava dovolj majhne zasnove, je dejal Simons. Dodal je, da morajo biti naprave za vsaditev čim manjše, da se zmanjša njihov vpliv na bolnike.
"Trenutno so baterije zelo omejene glede tega, kako majhne lahko postanejo: če naredite baterijo manjšo, zmanjšate količino energije, ki jo lahko zagotovi," je dejal Simons. "Pokazali smo, da lahko z napravo, ki je 100-krat tanjša od človeškega lasu, zagotovimo energijo, ki bi zadostovala za napajanje miniaturnih senzorjev."
Glede na to, kako majhna je naša gorivna celica, si lahko predstavljamo naprave za vsaditev, ki so velike le nekaj mikrometrov.
Simons in njegovi sodelavci so morali narediti novo napravo, ki bo lahko proizvajala elektriko in bila dovolj trdna, da bo vzdržala temperature do 600 stopinj Celzija. Če bi jo uporabili v medicinskem vsadku, bi morala gorivna celica skozi postopek sterilizacije pri visoki temperaturi.
Da bi našli material, ki bi lahko prenesel visoko vročino, so se raziskovalci obrnili na keramiko, ki ohranja svoje elektrokemične lastnosti tudi pri visokih temperaturah. Raziskovalci predvidevajo, da bi lahko novo zasnovo izdelali v ultratanke filme ali prevleke in jih ovili okoli vsadkov za pasivno napajanje elektronike z uporabo obilne zaloge glukoze v telesu.
Ideja za novo gorivno celico je prišla leta 2016, ko je Jennifer L. M. Rupp, mentorica Simonsove naloge in profesorica MIT, ki je specializirana za keramiko in elektrokemične naprave, med nosečnostjo šla na test glukoze.
"V zdravniški ordinaciji sem bil zelo zdolgočasen elektrokemik, ko sem razmišljal, kaj bi lahko naredil s sladkorjem in elektrokemijo," je dejal Rupp v sporočilu za javnost. "Potem sem ugotovil, da bi bilo dobro imeti polprevodniško napravo na glukozo. S Philippom sva se srečala na kavi in na prtiček napisala prve risbe."
Grivne celice z glukozo so bile prvič predstavljene v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, vendar so prvi modeli temeljili na mehkih polimerih. Te zgodnje vire goriva so nadomestile litij-jodidne baterije.
"Do danes se baterije običajno uporabljajo za napajanje naprav za vsaditev, kot so srčni spodbujevalniki," je dejal Simons. "Vendar bo tem baterijam sčasoma zmanjkalo energije, kar pomeni, da je treba srčni spodbujevalnik redno menjati. To je pravzaprav velik vir zapletov."
Prihodnost je lahko majhna in vsadljiva
Pri iskanju rešitve gorivne celice, ki bi lahko v telesu zdržala neomejeno dolgo, je ekipa stisnila elektrolit z anodo in katodo iz platine, stabilnega materiala, ki zlahka reagira z glukozo.
Vrsta materialov v novi glukozni gorivni celici omogoča prilagodljivost glede tega, kam jo je mogoče vsaditi v telo. "Na primer, lahko prenese korozivno okolje prebavnega sistema, kar bi lahko omogočilo nove senzorje za spremljanje kroničnih bolezni, kot je sindrom razdražljivega črevesja, " je dejal Simons.
Raziskovalci so celice namestili na silicijeve rezine in pokazali, da je naprave mogoče združiti z običajnim polprevodniškim materialom. Nato so izmerili tok, ki ga proizvede vsaka celica, ko so raztopino glukoze pretakali čez vsako rezino v po meri izdelani testni postaji.
Številne celice so proizvedle najvišjo napetost okoli 80 milivoltov, glede na rezultate, objavljene v nedavnem članku v reviji Advanced Materials. Raziskovalci trdijo, da je to največja gostota moči med vsemi zasnovami glukoznih gorivnih celic.
Grivne celice z glukozo lahko postanejo uporabne za napajanje naprav za vsaditev z uporabo goriva, ki je takoj na voljo v telesu.
Ekipa MIT je "odprla novo pot do miniaturnih virov energije za vsajene senzorje in morda druge funkcije," Truls Norby, profesor kemije na Univerzi v Oslu na Norveškem, ki ni sodeloval pri delu, je dejal v sporočilu za javnost. "Uporabljena keramika je nestrupena, poceni in niti najmanj inertna, tako glede pogojev v telesu kot glede pogojev sterilizacije pred implantacijo. Dosedanji koncept in predstavitev sta res obetavna."
Simons je dejal, da bi lahko nove gorivne celice omogočile povsem nove razrede naprav v prihodnosti. "Glede na to, kako majhna je naša gorivna celica, si lahko predstavljamo naprave za vsaditev, ki so velike le nekaj mikrometrov," je dodal. "Kaj če bi zdaj lahko obravnavali posamezne celice z napravami za vsaditev?"
