Ključni podaci za van
- Istraživači MIT-a razvili su novu energetsku ćeliju koja radi koristeći glukozu vašeg tijela.
- Stanice bi mogle pokretati medicinske uređaje i pomoći ljudima koji ugrađuju elektroničke naprave u svoja tijela radi praktičnosti.
- Uređaji za ugradnju moraju biti što je moguće manji kako bi se smanjio njihov utjecaj na pacijente.
Vaše vlastito tijelo moglo bi biti izvor energije za buduće gadgete.
Znanstvenici MIT-a razvili su gorivnu ćeliju na glukozu koja bi mogla pokretati minijaturne implantate i senzore. Uređaj je veličine oko 1/100 promjera ljudske vlasi i proizvodi oko 43 mikrovata po kvadratnom centimetru električne energije. Gorivne ćelije mogle bi biti korisne u medicini i malom, ali rastućem broju ljudi koji ugrađuju elektroničke naprave u svoja tijela radi praktičnosti.
"Glukozne gorive ćelije mogu postati korisne za napajanje implantabilnih uređaja koristeći gorivo koje je lako dostupno u tijelu," Philipp Simons, koji je razvio dizajn kao dio svog doktorata. disertaciju, rekao je Lifewireu u intervjuu e-poštom. "Na primjer, predviđamo korištenje naše gorive ćelije za glukozu za napajanje visoko minijaturiziranih senzora koji mjere tjelesne funkcije. Zamislite praćenje glukoze za pacijente s dijabetesom, praćenje srčanih stanja ili praćenje biomarkera koji identificiraju evoluciju tumora."
Mali, ali moćni
Najveći izazov u dizajniranju nove gorive ćelije bio je smisliti dizajn koji je dovoljno malen, rekao je Simons. Dodao je da implantabilni uređaji moraju biti što manji kako bi se smanjio njihov utjecaj na pacijente.
"Trenutno su baterije vrlo ograničene u pogledu toga koliko male mogu postati: ako bateriju učinite manjom, to smanjuje količinu energije koju može dati", rekao je Simons. "Pokazali smo da s uređajem koji je 100 puta tanji od ljudske vlasi, možemo osigurati energiju koja bi bila dovoljna za napajanje minijaturnih senzora."
S obzirom na to koliko su male naše gorivne ćelije, mogu se zamisliti implantabilni uređaji koji su veliki samo nekoliko mikrometara.
Simons i njegovi suradnici morali su napraviti novi uređaj sposobnim za generiranje električne energije i dovoljno čvrstim da izdrži temperature do 600 stupnjeva Celzijusa. Ako se koristi u medicinskom implantatu, goriva ćelija bi morala proći kroz proces sterilizacije na visokoj temperaturi.
Kako bi pronašli materijal koji može izdržati visoke vrućine, istraživači su se okrenuli keramici koja zadržava svoja elektrokemijska svojstva čak i na visokim temperaturama. Istraživači predviđaju da bi se novi dizajn mogao napraviti u ultratanke filmove ili premaze i omotati oko implantata za pasivno napajanje elektronike, koristeći obilne zalihe glukoze u tijelu.
Ideja za novu gorivu ćeliju došla je 2016. kada je Jennifer L. M. Rupp, mentorica Simonsove teze i profesorica MIT-a, koja se specijalizirala za keramiku i elektrokemijske uređaje, tijekom trudnoće otišla na test glukoze.
"U liječničkoj ordinaciji bio sam elektrokemičar koji se dosađivao i razmišljao što bi mogao učiniti sa šećerom i elektrokemijom", rekao je Rupp u priopćenju za javnost. "Tada sam shvatio da bi bilo dobro imati poluprovodnički uređaj napajan glukozom. Philipp i ja smo se sreli na kavi i ispisali na salveti prve crteže."
Glukozne gorive ćelije prvi put su uvedene 1960-ih, ali rani modeli temeljili su se na mekim polimerima. Ovi prvi izvori goriva zamijenjeni su litij-jodidnim baterijama.
"Do danas se baterije obično koriste za napajanje implantabilnih uređaja kao što su pejsmejkeri", rekao je Simons. „Međutim, ove će baterije s vremenom ostati bez energije, što znači da pejsmejker treba redovito mijenjati. Ovo je zapravo veliki izvor komplikacija."
Budućnost može biti mala i usadljiva
U potrazi za rješenjem gorive ćelije koje bi moglo trajati neograničeno dugo u tijelu, tim je spojio elektrolit s anodom i katodom napravljenom od platine, stabilnog materijala koji spremno reagira s glukozom.
Vrsta materijala u novoj gorivnoj ćeliji glukoze omogućuje fleksibilnost u pogledu mjesta na koje se može ugraditi u tijelo. "Na primjer, može izdržati korozivno okruženje probavnog sustava, što bi moglo omogućiti novim senzorima praćenje kroničnih bolesti kao što je sindrom iritabilnog crijeva", rekao je Simons.
Istraživači su stavili ćelije na silicijske pločice, pokazujući da se uređaji mogu upariti s uobičajenim poluvodičkim materijalom. Zatim su izmjerili struju koju proizvodi svaka stanica dok su puštali otopinu glukoze preko svake pločice u posebno izrađenoj ispitnoj stanici.
Mnoge ćelije proizvele su vršni napon od oko 80 milivolti, prema rezultatima objavljenim u nedavnom radu u časopisu Advanced Materials. Istraživači tvrde da je ovo najveća gustoća snage od svih dizajna gorivih ćelija glukoze.
Glukozne gorive ćelije mogu postati korisne za napajanje implantabilnih uređaja koristeći gorivo koje je lako dostupno u tijelu.
Tim MIT-a je "otvorio novi put prema minijaturnim izvorima energije za implantirane senzore i možda druge funkcije," Truls Norby, profesor kemije na Sveučilištu u Oslu u Norveškoj, koji nije pridonio radu, rekao je u priopćenju za javnost. "Keramika koja se koristi je netoksična, jeftina i nimalo inertna, kako na uvjete u tijelu tako i na uvjete sterilizacije prije implantacije. Koncept i dosadašnja demonstracija doista obećavaju."
Simons je rekao da bi nove gorive ćelije mogle omogućiti potpuno nove klase uređaja u budućnosti. "S obzirom na to koliko su male naše gorivne ćelije, mogu se zamisliti implantabilni uređaji koji su veliki samo nekoliko mikrometara", dodao je. "Što ako bismo sada mogli rješavati pojedinačne stanice implantabilnim uređajima?"
