Kľúčové poznatky
- Výskumníci z MIT vyvinuli nový energetický článok, ktorý funguje s využitím glukózy vášho tela.
- Bunky by mohli napájať lekárske prístroje a pomáhať ľuďom, ktorí si do tela implantujú elektronické prístroje, pre pohodlie.
- Implantovateľné zariadenia musia byť čo najmenšie, aby sa minimalizoval ich vplyv na pacientov.
Vaše vlastné telo môže byť zdrojom energie pre budúce prístroje.
Vedci z MIT vyvinuli palivový článok poháňaný glukózou, ktorý by mohol poháňať miniatúrne implantáty a senzory. Zariadenie meria približne 1/100 priemeru ľudského vlasu a generuje približne 43 mikrowattov na štvorcový centimeter elektriny. Palivové články by mohli byť užitočné v medicíne a malému, ale rastúcemu počtu ľudí, ktorí si kvôli pohodliu implantujú do tela elektronické prístroje.
"Glukózové palivové články sa môžu stať užitočnými na napájanie implantovateľných zariadení pomocou paliva ľahko dostupného v tele," Philipp Simons, ktorý tento dizajn vyvinul ako súčasť svojho Ph. D. práce, povedal Lifewire v e-mailovom rozhovore. "Napríklad si predstavujeme použitie nášho glukózového palivového článku na napájanie vysoko miniaturizovaných senzorov, ktoré merajú telesné funkcie. Myslite na monitorovanie glukózy u pacientov s cukrovkou, monitorovanie srdcových stavov alebo sledovanie biomarkerov, ktoré identifikujú vývoj nádoru."
Malý, ale mocný
Najväčšou výzvou pri navrhovaní nového palivového článku bolo prísť s dostatočne malým dizajnom, povedal Simons. Dodal, že implantovateľné zariadenia musia byť čo najmenšie, aby sa minimalizoval ich vplyv na pacientov.
"V súčasnosti sú batérie veľmi obmedzené, pokiaľ ide o to, ako malé sa môžu stať: ak batériu zmenšite, zníži sa množstvo energie, ktorú môže poskytnúť," povedal Simons. „Ukázali sme, že so zariadením, ktoré je 100-krát tenšie ako ľudský vlas, dokážeme poskytnúť energiu, ktorá by postačovala na napájanie miniatúrnych senzorov.“
Vzhľadom na to, aký malý je náš palivový článok, možno si predstaviť implantovateľné zariadenia, ktoré sú veľké len niekoľko mikrometrov.
Simons a jeho spolupracovníci museli vyrobiť nové zariadenie schopné generovať elektrinu a dostatočne odolné, aby odolalo teplotám až 600 stupňov Celzia. Ak by sa palivový článok použil v lekárskom implantáte, musel by prejsť procesom sterilizácie pri vysokej teplote.
Pri hľadaní materiálu, ktorý by odolal vysokému teplu, sa výskumníci obrátili na keramiku, ktorá si zachováva svoje elektrochemické vlastnosti aj pri vysokých teplotách. Výskumníci si myslia, že nový dizajn by mohol byť vyrobený do ultratenkých filmov alebo povlakov a obalených okolo implantátov na pasívne napájanie elektroniky pomocou bohatej zásoby glukózy v tele.
Nápad na nový palivový článok prišiel v roku 2016, keď Jennifer L. M. Rupp, Simonsova vedúca diplomovej práce a profesorka MIT, ktorá sa špecializuje na keramiku a elektrochemické zariadenia, išla počas tehotenstva na glukózový test.
"V ordinácii som bol veľmi znudený elektrochemik a rozmýšľal som, čo by ste mohli robiť s cukrom a elektrochémiou," povedal Rupp v tlačovej správe. "Potom som si uvedomil, že by bolo dobré mať glukózový polovodičový prístroj. A Philipp a ja sme sa stretli pri káve a napísali na obrúsok prvé kresby."
Glukózové palivové články boli prvýkrát predstavené v 60. rokoch 20. storočia, no prvé modely boli založené na mäkkých polyméroch. Tieto skoré zdroje paliva boli nahradené lítium-jodidovými batériami.
"K dnešnému dňu sa batérie zvyčajne používajú na napájanie implantovateľných zariadení, ako sú kardiostimulátory," povedal Simons. „Týmto batériám sa však časom vybije energia, čo znamená, že kardiostimulátor je potrebné pravidelne vymieňať. Toto je v skutočnosti obrovský zdroj komplikácií."
Budúcnosť môže byť malá a implantovateľná
Pri hľadaní riešenia palivových článkov, ktoré by mohli v tele vydržať nekonečne dlho, tím spojil elektrolyt s anódou a katódou vyrobenou z platiny, stabilného materiálu, ktorý ľahko reaguje s glukózou.
Typ materiálov v novom glukózovom palivovom článku umožňuje flexibilitu, pokiaľ ide o to, kde môže byť v tele implantovaný. "Napríklad dokáže odolať korozívnemu prostrediu tráviaceho systému, čo by mohlo umožniť nové senzory monitorujúce chronické ochorenia, ako je syndróm dráždivého čreva," povedal Simons.
Výskumníci umiestnili bunky na kremíkové doštičky, čím ukázali, že zariadenia môžu byť spárované s bežným polovodičovým materiálom. Potom zmerali prúd produkovaný každou bunkou, keď pretekal roztokom glukózy cez každú doštičku v testovacej stanici vyrobenej na mieru.
Mnohé články produkovali špičkové napätie okolo 80 milivoltov, podľa výsledkov publikovaných v nedávnom článku v časopise Advanced Materials. Výskumníci tvrdia, že ide o najvyššiu hustotu energie zo všetkých glukózových palivových článkov.
Glukózové palivové články sa môžu stať užitočnými na napájanie implantovateľných zariadení pomocou paliva ľahko dostupného v tele.
Tím MIT „otvoril novú cestu k miniatúrnym zdrojom energie pre implantované senzory a možno aj ďalšie funkcie“, Truls Norby, profesor chémie na Univerzite v Oslo v Nórsku, ktorý k práci neprispel, uviedol v tlačovej správe. "Použitá keramika je netoxická, lacná a nie najmenej inertná, ako voči podmienkam v tele, tak voči podmienkam sterilizácie pred implantáciou. Doterajší koncept a demonštrácia sú skutočne sľubné."
Simons povedal, že nové palivové články by mohli v budúcnosti umožniť úplne nové triedy zariadení. „Vzhľadom na to, aký malý je náš palivový článok, možno si predstaviť implantovateľné zariadenia, ktoré sú veľké len niekoľko mikrometrov,“dodal. „Čo keby sme teraz mohli osloviť jednotlivé bunky implantovateľnými zariadeniami?“
