Сахар в человеческом организме можно использовать для выработки электроэнергии. С помощью специально разработанного топливного элемента глюкоза может быть преобразована для питания медицинских имплантатов, для которых сегодня требуется аккумулятор.
Если быть более точным в терминах, то речь идет о глюкозе. Это сахар, который наш человеческий организм поглощает из пищи, которую мы едим, и который присутствует почти везде в организме. Если он уже снабжает наш организм энергией, то некоторые исследователи считают, что он может сделать еще больше! Преобразуя его непосредственно в электричество, он может, например, питать медицинские имплантаты, такие, как кардиостимуляторы. Команда ученых из Массачусетского технологического института (MIT) и Технического университета Мюнхена разработала удивительное устройство. Их результаты были опубликованы в журнале .
«Глюкоза находится в организме повсюду, и идея заключается в том, чтобы собрать эту легкодоступную энергию и использовать ее для питания имплантируемых устройств«, — объясняет Филипп Симонс, который разработал прототип в рамках своей докторской диссертации на факультете материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института. «В нашей работе мы показываем новую электрохимию глюкозных топливных элементов«.
Говоря конкретнее, это топливный элемент, который может преобразовывать глюкозу в небольшое количество электроэнергии. При толщине 400 нанометров, что составляет одну сотую диаметра человеческого волоса, он способен вырабатывать 43 микроватта на квадратный сантиметр, что, по словам ученых, является самой высокой плотностью, когда-либо испытанной на подобных устройствах. Батарея также может выдерживать температуру 600 °C: эта характеристика необходима для прохождения процесса стерилизации, необходимого для введения имплантатов в человеческое тело.
Преобразование электроэнергии происходит напрямую, без необходимости хранить ее в аккумуляторе, что экономит много места. «Вместо использования батареи, которая может занимать 90% объема имплантата, можно создать устройство с тонкой пленкой, и вы получите источник питания без объемного следа«, — объясняет Дженнифер Л.М. Рупп, исследователь из Мюнхенского технического университета в Германии, в релизе MIT. Команда планирует создать очень тонкие пленки, которые можно будет обернуть вокруг имплантатов или использовать в качестве покрытия для пассивного питания. «Топливные элементы преобразуют энергию напрямую, а не хранят ее в устройстве, поэтому вам не нужен весь этот объем для хранения энергии в батарее«, — добавляет он.
Идея, которая существует с 1960-х годов.
Идея использования глюкозы в качестве источника электроэнергии не является абсолютно новой, поскольку прототипы были созданы в 1960-х годах, напоминает MIT. Однако в качестве основного материала использовался полимер, который не отличается высокой термостойкостью. Его свойства также трудно сохранить неизменными в наномасштабе, поэтому этот тип генераторов был быстро вытеснен литий-йодидными батареями. Поэтому на этот раз ученые выбрали керамику, которая способна сохранять свои электрохимические свойства даже при очень высоких температурах.
Основная работа этого «преобразователя глюкозы» заключается в следующем. Топливный элемент состоит из верхнего анода (положительного полюса), центрального электролита (проводящего вещества) и нижнего катода (отрицательного полюса). Анод реагирует с глюкозой, присутствующей в жидкостях организма, преобразуя сахар в глюконовую кислоту. При этом электрохимическом преобразовании высвобождается пара протонов и пара электронов. Промежуточный электролит отделяет протоны от электронов, прогоняя их через топливный элемент, где они соединяются с воздухом и образуют молекулы воды. Эта вода уходит вместе с жидкостями организма. Изолированные электроны поступают во внешнюю цепь, где они могут быть использованы для питания электронного устройства.
Это слой электролита, который часто изготавливается из полимеров. Недавние испытания ученых, заменивших его на керамику, оказались успешными. «Когда вы думаете о керамике для такого глюкозного топливного элемента, ее преимуществами являются долгосрочная стабильность, малая масштабируемость и возможность интеграции кремниевых чипов«, — отмечает Дженнифер Рупп.
Поэтому команда поместила в керамический электролит анод и катод из платины — стабильного материала, который легко вступает в реакцию с глюкозой. Они изготовили 150 отдельных топливных элементов, реагирующих на глюкозу, и собрали их на чипе. Затем они нанесли рисунок зарядных элементов на кремниевые «пластины», продемонстрировав, что их устройство может быть объединено с широко используемым полупроводниковым материалом.
На данный момент их аккумулятор не был протестирован для питания имплантата. Вместо этого они измерили ток, вырабатываемый каждой клеткой в лаборатории, проведя раствором глюкозы по каждой пластине. Испытания не только прошли успешно, но ученые также утверждают, что удалось достичь самой высокой концентрации электричества, найденной в устройствах такого типа, в количестве, достаточном для имплантации. «Это захватывающе: мы можем получать достаточно энергии и тока для питания имплантируемых устройств«, — восторгается Филипп Симонс.