Ключови изводи
- Изследователите на MIT разработиха нова захранваща клетка, която работи, използвайки глюкозата в тялото ви.
- Клетките могат да захранват медицински устройства и да помагат на хора, които имплантират електронни джаджи в телата си за удобство.
- Имплантируемите устройства трябва да бъдат възможно най-малки, за да се сведе до минимум въздействието им върху пациентите.
Вашето собствено тяло може да бъде източник на енергия за бъдещи джаджи.
Учени от MIT са разработили захранвана с глюкоза горивна клетка, която може да захранва миниатюрни импланти и сензори. Устройството е с размер около 1/100 от диаметъра на човешки косъм и генерира около 43 микровата на квадратен сантиметър електричество. Горивните клетки могат да бъдат полезни в медицината и малкия, но нарастващ брой хора, които имплантират електронни джаджи в телата си за удобство.
"Глюкозните горивни клетки могат да станат полезни за захранване на имплантируеми устройства, използвайки лесно достъпно в тялото гориво", Филип Симонс, който разработи дизайна като част от своята докторска степен. дисертация, каза пред Lifewire в интервю по имейл. „Например предвиждаме да използваме нашата глюкозна горивна клетка за захранване на силно миниатюризирани сензори, които измерват функциите на тялото. Помислете за мониторинг на глюкозата при пациенти с диабет, за наблюдение на сърдечни заболявания или за проследяване на биомаркери, които идентифицират еволюцията на тумор.“
Мъничък, но могъщ
Най-голямото предизвикателство при проектирането на новата горивна клетка беше създаването на достатъчно малък дизайн, каза Симонс. Той добави, че имплантируемите устройства трябва да бъдат възможно най-малки, за да се сведе до минимум въздействието им върху пациентите.
„В момента батериите са много ограничени в това колко малки могат да станат: ако направите батерията по-малка, това намалява количеството енергия, което тя може да осигури“, каза Саймънс. „Показахме, че с устройство, което е 100 пъти по-тънко от човешки косъм, можем да осигурим енергия, която би била достатъчна за захранване на миниатюрни сензори.“
Като се има предвид колко малка е нашата горивна клетка, можем да си представим имплантируеми устройства, които са големи само няколко микрометра.
Саймънс и неговите сътрудници трябваше да направят новото устройство способно да генерира електричество и достатъчно здраво, за да издържи на температури до 600 градуса по Целзий. Ако се използва в медицински имплант, горивната клетка ще трябва да премине през процес на стерилизация при висока температура.
За да намерят материал, който може да издържи на висока температура, изследователите се обърнаха към керамиката, която запазва електрохимичните си свойства дори при високи температури. Изследователите предвиждат, че новият дизайн може да бъде направен в ултратънки филми или покрития и увити около импланти за пасивно захранване на електрониката, използвайки обилното снабдяване с глюкоза в тялото.
Идеята за новата горивна клетка дойде през 2016 г., когато Дженифър Л. М. Руп, ръководител на дисертацията на Саймънс и професор от Масачузетския технологичен институт, който специализира в керамика и електрохимични устройства, отиде на тест за глюкоза по време на бременността си.
"В кабинета на лекаря бях много отегчен електрохимик, мислейки си какво можеш да направиш със захарта и електрохимията", каза Руп в съобщение за новините. „Тогава разбрах, че би било добре да имам захранвано с глюкоза твърдотелно устройство. И Филип и аз се срещнахме на кафе и написахме на една салфетка първите рисунки.“
Глюкозните горивни клетки бяха въведени за първи път през 60-те години на миналия век, но ранните модели бяха базирани на меки полимери. Тези ранни източници на гориво бяха заменени от литиево-йодидни батерии.
"Към днешна дата батериите обикновено се използват за захранване на имплантируеми устройства като пейсмейкъри", каза Саймънс. „Въпреки това, тези батерии в крайна сметка ще се изчерпят, което означава, че пейсмейкърът трябва да се сменя редовно. Това всъщност е огромен източник на усложнения."
Бъдещето може да е малко и имплантируемо
В търсене на решение за горивни клетки, което може да издържи неопределено време в тялото, екипът постави електролит с анод и катод, направени от платина, стабилен материал, който лесно реагира с глюкозата.
Видът на материалите в новата горивна клетка с глюкоза позволява гъвкавост по отношение на това къде може да се имплантира в тялото. „Например, той може да издържи на корозивната среда на храносмилателната система, което може да даде възможност на нови сензори да наблюдават хронични заболявания като синдром на раздразнените черва“, каза Саймънс.
Изследователите поставят клетките върху силициеви пластини, показвайки, че устройствата могат да бъдат сдвоени с общ полупроводников материал. След това те измерват тока, произведен от всяка клетка, докато текат разтвор на глюкоза върху всяка вафла в специално изработена тестова станция.
Много клетки произвеждат пиково напрежение от около 80 миливолта, според резултатите, публикувани в скорошна статия в списанието Advanced Materials. Изследователите твърдят, че това е най-високата плътност на мощността от всички конструкции на глюкозни горивни клетки.
Глюкозните горивни клетки могат да станат полезни за захранване на имплантируеми устройства, използвайки гориво, което е лесно достъпно в тялото.
Екипът на MIT "откри нов път към миниатюрни източници на енергия за имплантирани сензори и може би други функции", Трулс Норби, професор по химия в университета в Осло в Норвегия, който не е допринесъл за работата, се казва в съобщение за новини. „Използваната керамика е нетоксична, евтина и не е [най-малко] инертна, както към условията в тялото, така и към условията на стерилизация преди имплантирането. Концепцията и демонстрацията досега са наистина обещаващи.“
Саймънс каза, че новите горивни клетки могат да позволят изцяло нови класове устройства в бъдеще. „Като се има предвид колко малка е нашата горивна клетка, можем да си представим имплантируеми устройства, които са големи само няколко микрометра“, добави той. „Ами ако сега можем да адресираме отделни клетки с имплантируеми устройства?“
