Ультратонкий топливный элемент использует собственный сахар организма для выработ

Глюкоза — это сахар, который мы усваиваем из продуктов, которые едим. Это топливо, питающее каждую клетку нашего тела. Может ли глюкоза питать медицинские имплантаты завтрашнего дня?

Так считают инженеры Массачусетского технологического института и Мюнхенского технического университета. Они разработали новый вид глюкозного топливного элемента , который непосредственно преобразует глюкозу в электричество. Устройство меньше, чем другие предложенные глюкозные топливные элементы, его толщина составляет всего 400 нанометров, или примерно 1/100 диаметра человеческого волоса. Сахарный источник энергии вырабатывает около 43 микроватт на квадратный сантиметр электричества, достигая на сегодняшний день самой высокой удельной мощности среди всех глюкозных топливных элементов в условиях окружающей среды.

Новое устройство также эластично, способно выдерживать температуру до 600 градусов по Цельсию. В случае включения в медицинский имплантат топливный элемент может оставаться стабильным в процессе высокотемпературной стерилизации, который требуется для всех имплантируемых устройств.

Сердце нового устройства выполнено из керамики — материала, сохраняющего свои электрохимические свойства даже при высоких температурах и миниатюрных масштабах. Исследователи предполагают, что новый дизайн может быть превращен в ультратонкие пленки или покрытия и обернут вокруг имплантатов для пассивного питания электроники , используя обильные запасы глюкозы в организме.

«Глюкоза находится повсюду в организме, и идея состоит в том, чтобы собирать эту легкодоступную энергию и использовать ее для питания имплантируемых устройств», — говорит Филипп Саймонс, который разработал конструкцию в рамках своей докторской диссертации. защитил диссертацию на факультете материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института (DMSE). «В нашей работе мы показываем новую электрохимию глюкозного топливного элемента».

«Вместо использования батареи, которая может занимать 90 процентов объема имплантата, вы можете сделать устройство с тонкой пленкой, и у вас будет источник питания без объемной площади», — говорит Дженнифер Л. М. Рупп, диссертация Саймонса. научный руководитель и приглашенный профессор DMSE, который также является адъюнкт-профессором химии твердого электролита Мюнхенского технического университета в Германии.

Саймонс и его коллеги подробно описали свой дизайн в журнале Advanced Materials . Соавторами исследования являются Рупп, Стивен Шенк, Марко Гизель и Лоренц Ольбрих.

«Жесткое» разделение

Вдохновение для нового топливного элемента пришло в 2016 году, когда Рупп, специализирующаяся на керамике и электрохимических устройствах, в конце своей беременности отправилась на обычный тест на глюкозу.

«В кабинете врача я был очень скучающим электрохимиком, думая, что можно сделать с сахаром и электрохимией», — вспоминает Рупп. «Тогда я понял, что было бы неплохо иметь твердотельный прибор на глюкозе. И мы с Филиппом встретились за чашкой кофе и выписали на салфетке первые рисунки».

Команда не первая, кто придумал глюкозный топливный элемент, который был первоначально представлен в 1960-х годах и показал потенциал для преобразования химической энергии глюкозы в электрическую энергию. Но топливные элементы на основе глюкозы в то время были основаны на мягких полимерах и были быстро вытеснены литий-йодидными батареями, которые стали стандартным источником питания для медицинских имплантатов, в первую очередь для кардиостимуляторов.

Тем не менее, у батарей есть предел того, насколько маленькими они могут быть, поскольку их конструкция требует физической емкости для хранения энергии.

«Топливные элементы напрямую преобразуют энергию, а не хранят ее в устройстве, поэтому вам не нужен весь тот объем, который требуется для хранения энергии в батарее», — говорит Рупп.

В последние годы ученые по-новому взглянули на глюкозные топливные элементы как на потенциально меньшие источники энергии, работающие непосредственно за счет избытка глюкозы в организме.

Базовая конструкция глюкозного топливного элемента состоит из трех слоев: верхнего анода, среднего электролита и нижнего катода. Анод реагирует с глюкозой в жидкостях организма, превращая сахар в глюконовую кислоту. Это электрохимическое преобразование высвобождает пару протонов и пару электронов. Средний электролит отделяет протоны от электронов, проводя протоны через топливный элемент, где они соединяются с воздухом, образуя молекулы воды — безвредного побочного продукта, который вытекает вместе с жидкостями организма. Тем временем изолированные электроны перетекают во внешнюю цепь, где их можно использовать для питания электронного устройства.

Команда стремилась улучшить существующие материалы и конструкции, изменив слой электролита, который часто изготавливается из полимеров. Но свойства полимеров, наряду с их способностью проводить протоны, легко разрушаются при высоких температурах, их трудно сохранить при уменьшении размера до нанометров, и их трудно стерилизовать. Исследователи задались вопросом, можно ли превратить керамику — термостойкий материал, который может естественным образом проводить протоны — в электролит для топливных элементов с глюкозой.

«Когда вы думаете о керамике для такого топливного элемента на глюкозе, у нее есть преимущество долговременной стабильности, небольшой масштабируемости и интеграции с кремниевыми чипами», — отмечает Рупп. «Они твердые и прочные»

Пиковая мощность

Исследователи разработали глюкозный топливный элемент с электролитом из оксида церия, керамического материала, который обладает высокой ионной проводимостью, является механически прочным и поэтому широко используется в качестве электролита в водородных топливных элементах. Также было показано, что он биосовместим.

«Ceria активно изучается в сообществе исследователей рака», — отмечает Саймонс. «Он также похож на диоксид циркония, который используется в зубных имплантатах, и является биосовместимым и безопасным».

Команда объединила электролит с анодом и катодом из платины, стабильного материала, который легко реагирует с глюкозой. Они изготовили 150 отдельных глюкозных топливных элементов на чипе, каждый толщиной около 400 нанометров и шириной около 300 микрометров (примерно шириной 30 человеческих волос). Они нанесли ячейки на кремниевые пластины , показав, что устройства могут быть соединены с обычным полупроводниковым материалом. Затем они измерили ток, производимый каждой клеткой, когда они пропускали раствор глюкозы через каждую пластину в изготовленной на заказ испытательной станции.

Они обнаружили, что многие элементы производят пиковое напряжение около 80 милливольт. Учитывая крошечный размер каждой ячейки, эта выходная мощность является самой высокой удельной мощностью среди всех существующих конструкций топливных элементов на глюкозе.

«Удивительно, но мы можем потреблять мощность и ток, достаточные для питания имплантируемых устройств », — говорит Саймонс.

«Это первый случай, когда протонная проводимость в электрокерамических материалах может быть использована для преобразования глюкозы в энергию, определяя новый тип электрохимии», — говорит Рупп. «Это расширяет возможности использования материалов от водородных топливных элементов до новых захватывающих режимов преобразования глюкозы».

Исследователи «открыли новый путь к миниатюрным источникам питания для имплантированных датчиков и, возможно, других функций», — говорит Трулс Норби, профессор химии из Университета Осло в Норвегии, который не участвовал в работе. «Используемая керамика нетоксична, дешева и не в последнюю очередь инертна как к условиям в организме, так и к условиям стерилизации перед имплантацией. Концепция и демонстрация на данный момент действительно многообещающие».