18.09.2022
Медицинским имплантатам так или иначе требуется электричество, многообещающий источник которого обнаружен на этот раз в крови. Учёные из MIT и Мюнхенского технического университета провели успешное исследование, которое позволит эффективно использовать сверхтонкие топливные элементы, работающие на глюкозе за счёт химических реакций в крови и других жидкостях организма.
Глюкоза - это необходимый всему живому сахар, которого достаточно много (иногда даже слишком) в нашей крови. Это биотопливо, которое питает каждую клетку нашего тела. Инженеры Массачусетского технологического института и Мюнхенского технического университета разработали новый вид миниатюрного топливного элемента, который преобразует глюкозу непосредственно в электричество. Устройство имеет толщину всего 400 нанометров (одна сотая диаметра человеческого волоса). Источник питания на основе глюкозы вырабатывают напряжение около 80 милливольт, что составляет около 43 микроватт на квадратный сантиметр электроэнергии, достигая тем самым самой высокой плотности мощности среди всех топливных элементов на глюкозе на сегодняшний день.
Немаловажно, что новое устройство способно выдерживать температуру до 600 градусов по Цельсию. Будучи встроенным в медицинский имплантат, топливный элемент не разрушается в процессе высокотемпературной стерилизации, необходимой для всех имплантируемых устройств.
Кремниевая структура топливного элемента состоит из анода, электролита и катода. Анод вступает в реакцию с глюкозой (в крови или в другой жидкости организма), образуя глюконовую кислоту, в процессе чего высвобождаются протоны и электроны. Электролит забирает протоны, а оставшиеся электроны собираются в цепь и их можно использовать для питания имплантата. Исследователи полагают, что конструктивно новые топливные элементы могут ультратонкой пленкой покрывать имплантаты, питаясь из обильных запасов глюкозы в организме. При этом безвредным побочным продуктом работы топливных элементов является обычная вода.
“Глюкоза находится повсюду в организме, и идея состоит в том, чтобы собирать эту легкодоступную энергию и использовать ее для питания имплантов”,— говорит Филипп Саймонс, который разработал дизайн устройства в рамках своей докторской диссертации на факультете материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института.— “Удивительно, что мы можем получать электроэнергию, достаточную для питания имплантируемых устройств”.
“Вместо использования батареи, которая может занимать 90 процентов от объема импланта, теперь возможна конструкция, где имплант завёрнут в тонкую плёнку, которая служит источником питания и не занимает много места”, - говорит Дженнифер Л.М. Рупп, научный руководитель диссертации Саймонса и приглашенный профессор DMSE. Она, являясь адъюнкт-профессором химии твердого электролита в Техническом университете Мюнхена в Германии, была соавтором технологии и активно участвовала в исследованиях нового топливного элемента.
“Топливные элементы напрямую преобразуют глюкозу в рабочую электроэнергию, без необходимости хранить её в устройстве, поэтому вам не нужен весь тот объем, который требуется для хранения энергии в батарее”,— говорит Рупп.
Исследователи разработали новый топливный элемент с электролитом, изготовленным из церия, керамического и биосовместимого материала, который обладает высокой ионной проводимостью, является механически прочным. Команда соединила электролит с анодом и катодом из платины — идеального материала для контакта с глюкозой.
“Церий активно изучается в сообществе исследователей рака”,— отмечает Саймонс.— “Он также похож на цирконий, который используется в зубных имплантатах, и является биосовместимым и безопасным”.
Исследователи “открыли новый путь к миниатюрным источникам питания для имплантированных датчиков и, возможно, других функций”,— говорит Трулз Норби, профессор химии Университета Осло в Норвегии, который не принимал участия в этой работе.— “Используемая керамика нетоксична, дешева и, что не менее важно, инертна как к условиям в организме, так и к условиям стерилизации перед имплантацией. Концепция и демонстрация технологии на данный момент действительно многообещающие”.
Ранее мы писали о другом успешном исследовании, где необходимое электропитание для носимой электроники добывалось с помощью бактерий в человеческом поте.
Разработан ультратонкий топливный элемент для выработки электроэнергии из глюкозы
Медицинским имплантатам так или иначе требуется электричество, многообещающий источник которого обнаружен на этот раз в крови. Учёные из MIT и Мюнхенского технического университета провели успешное исследование, которое позволит эффективно использовать сверхтонкие топливные элементы, работающие на глюкозе за счёт химических реакций в крови и других жидкостях организма.
Глюкоза - это необходимый всему живому сахар, которого достаточно много (иногда даже слишком) в нашей крови. Это биотопливо, которое питает каждую клетку нашего тела. Инженеры Массачусетского технологического института и Мюнхенского технического университета разработали новый вид миниатюрного топливного элемента, который преобразует глюкозу непосредственно в электричество. Устройство имеет толщину всего 400 нанометров (одна сотая диаметра человеческого волоса). Источник питания на основе глюкозы вырабатывают напряжение около 80 милливольт, что составляет около 43 микроватт на квадратный сантиметр электроэнергии, достигая тем самым самой высокой плотности мощности среди всех топливных элементов на глюкозе на сегодняшний день.
Немаловажно, что новое устройство способно выдерживать температуру до 600 градусов по Цельсию. Будучи встроенным в медицинский имплантат, топливный элемент не разрушается в процессе высокотемпературной стерилизации, необходимой для всех имплантируемых устройств.
Кремниевая структура топливного элемента состоит из анода, электролита и катода. Анод вступает в реакцию с глюкозой (в крови или в другой жидкости организма), образуя глюконовую кислоту, в процессе чего высвобождаются протоны и электроны. Электролит забирает протоны, а оставшиеся электроны собираются в цепь и их можно использовать для питания имплантата. Исследователи полагают, что конструктивно новые топливные элементы могут ультратонкой пленкой покрывать имплантаты, питаясь из обильных запасов глюкозы в организме. При этом безвредным побочным продуктом работы топливных элементов является обычная вода.
“Глюкоза находится повсюду в организме, и идея состоит в том, чтобы собирать эту легкодоступную энергию и использовать ее для питания имплантов”,— говорит Филипп Саймонс, который разработал дизайн устройства в рамках своей докторской диссертации на факультете материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института.— “Удивительно, что мы можем получать электроэнергию, достаточную для питания имплантируемых устройств”.
“Вместо использования батареи, которая может занимать 90 процентов от объема импланта, теперь возможна конструкция, где имплант завёрнут в тонкую плёнку, которая служит источником питания и не занимает много места”, - говорит Дженнифер Л.М. Рупп, научный руководитель диссертации Саймонса и приглашенный профессор DMSE. Она, являясь адъюнкт-профессором химии твердого электролита в Техническом университете Мюнхена в Германии, была соавтором технологии и активно участвовала в исследованиях нового топливного элемента.
“Топливные элементы напрямую преобразуют глюкозу в рабочую электроэнергию, без необходимости хранить её в устройстве, поэтому вам не нужен весь тот объем, который требуется для хранения энергии в батарее”,— говорит Рупп.
Исследователи разработали новый топливный элемент с электролитом, изготовленным из церия, керамического и биосовместимого материала, который обладает высокой ионной проводимостью, является механически прочным. Команда соединила электролит с анодом и катодом из платины — идеального материала для контакта с глюкозой.
“Церий активно изучается в сообществе исследователей рака”,— отмечает Саймонс.— “Он также похож на цирконий, который используется в зубных имплантатах, и является биосовместимым и безопасным”.
Исследователи “открыли новый путь к миниатюрным источникам питания для имплантированных датчиков и, возможно, других функций”,— говорит Трулз Норби, профессор химии Университета Осло в Норвегии, который не принимал участия в этой работе.— “Используемая керамика нетоксична, дешева и, что не менее важно, инертна как к условиям в организме, так и к условиям стерилизации перед имплантацией. Концепция и демонстрация технологии на данный момент действительно многообещающие”.
Ранее мы писали о другом успешном исследовании, где необходимое электропитание для носимой электроники добывалось с помощью бактерий в человеческом поте.