Võtmed kaasavõtmiseks
- MIT-i teadlased töötasid välja uue jõuelemendi, mis kasutab teie keha glükoosi.
- Rakud võivad toita meditsiiniseadmeid ja aidata inimesi, kes implanteerivad mugavuse huvides oma kehasse elektroonilisi vidinaid.
- Implanteeritavad seadmed peavad olema võimalikult väikesed, et minimeerida nende mõju patsientidele.
Teie keha võib olla tulevaste vidinate toiteallikaks.
MIT-i teadlased on välja töötanud glükoosil töötava kütuseelemendi, mis võib toita miniatuurseid implantaate ja andureid. Seade mõõdab umbes 1/100 juuksekarva läbimõõdust ja toodab umbes 43 mikrovatti elektrit ruutsentimeetri kohta. Kütuseelemendid võivad olla kasulikud meditsiinis ja väikesel, kuid kasvaval arvul inimestel, kes implanteerivad mugavuse huvides oma kehasse elektroonilisi vidinaid.
"Glükoosikütuseelemendid võivad olla kasulikud siirdatavate seadmete toiteks, kasutades kehas kergesti kättesaadavat kütust," ütles Philipp Simons, kes töötas selle disaini välja osana oma doktorikraadist. väitekirja, ütles Lifewire'ile e-posti intervjuus. "Näiteks kujutame ette oma glükoosikütuseelemendi kasutamist ülim alt miniatuursete andurite toiteks, mis mõõdavad keha funktsioone. Mõelge diabeedihaigete glükoositaseme jälgimisele, südameseisundite jälgimisele või kasvaja arengut tuvastavate biomarkerite jälgimisele."
Pisike, aga vägev
Uue kütuseelemendi kavandamise suurim väljakutse oli piisav alt väikese disaini väljatöötamine, ütles Simons. Ta lisas, et siirdatavad seadmed peavad olema võimalikult väikesed, et minimeerida nende mõju patsientidele.
"Praegu on akude suurus väga piiratud: kui muudate aku väiksemaks, vähendab see energiat, mida see võib anda," ütles Simons. "Oleme näidanud, et seadmega, mis on juuksekarvast 100 korda õhem, saame pakkuda energiat, millest piisaks miniatuursete andurite toiteks."
Arvestades, kui väike on meie kütuseelement, võib ette kujutada siirdatavaid seadmeid, mis on vaid mõne mikromeetri suured.
Simons ja tema kaastöötajad pidid muutma uue seadme elektritootmisvõimeliseks ja piisav alt vastupidavaks, et taluda kuni 600 kraadi Celsiuse järgi. Kui seda kasutatakse meditsiinilises implantaadis, peaks kütuseelement läbima kõrgel temperatuuril steriliseerimise.
Kõrget kuumust taluva materjali leidmiseks pöördusid teadlased keraamika poole, mis säilitab oma elektrokeemilised omadused isegi kõrgetel temperatuuridel. Teadlased arvavad, et uuest disainist saaks teha üliõhukesed kiled või katted ja mähkida implantaatide ümber passiivselt toiteks elektroonika, kasutades keha rikkalikku glükoosivarusid.
Uue kütuseelemendi idee tekkis 2016. aastal, kui Simonsi lõputöö juhendaja ja MIT-i professor Jennifer L. M. Rupp, kes on spetsialiseerunud keraamikale ja elektrokeemilistele seadmetele, käis raseduse ajal glükoositestis.
"Arstikabinetis olin väga igav elektrokeemik ja mõtlesin, mida saaks suhkru ja elektrokeemiaga peale hakata," ütles Rupp pressiteates. "Siis mõistsin, et oleks hea omada glükoosiga töötavat tahkisseadet. Ja me Philippiga kohtusime kohvi ajal ja kirjutasime salvrätikule esimesed joonised."
Glükoosi kütuseelemendid võeti esmakordselt kasutusele 1960. aastatel, kuid varased mudelid põhinesid pehmetel polümeeridel. Need varased kütuseallikad asendati liitiumjodiidpatareidega.
"Praegu on akusid tavaliselt kasutatud siirdatavate seadmete, näiteks südamestimulaatorite toiteks," ütles Simons. "Kuid nende patareide energia saab lõpuks tühjaks, mis tähendab, et südamestimulaatorit tuleb regulaarselt vahetada. See on tegelikult tohutu tüsistuste allikas."
Tulevik võib olla väike ja siirdatav
Otsides kütuseelemendi lahendust, mis võiks keha sees lõputult kesta, ühendas meeskond elektrolüüdi anoodi ja katoodiga, mis on valmistatud plaatinast – stabiilsest materjalist, mis reageerib kergesti glükoosiga.
Uue glükoosikütuseelemendi materjalide tüüp võimaldab paindlikkust selle osas, kuhu seda kehasse saab implanteerida. "Näiteks talub see seedesüsteemi söövitavat keskkonda, mis võib võimaldada uutel anduritel jälgida kroonilisi haigusi, nagu ärritunud soole sündroom," ütles Simons.
Teadlased panid rakud räniplaatidele, näidates, et seadmeid saab siduda tavalise pooljuhtmaterjaliga. Seejärel mõõtsid nad iga elemendi poolt toodetud voolu, kui nad voolasid glükoosilahusega üle iga vahvli eritellimusel valmistatud katsejaamas.
Ajakirjas Advanced Materials hiljuti avaldatud tulemuste kohaselt andsid paljud elemendid tipppinge umbes 80 millivolti. Teadlased väidavad, et see on kõigi glükoosikütuseelementide konstruktsioonide suurim võimsustihedus.
Glükoosi kütuseelemendid võivad olla kasulikud siirdatavate seadmete toiteks, kasutades kehas kergesti kättesaadavat kütust.
MIT-i meeskond on "avanud uue tee miniatuursetele toiteallikatele implanteeritud andurite ja võib-olla ka muude funktsioonide jaoks," ütles Norra Oslo ülikooli keemiaprofessor Truls Norby, kes töösse ei aidanud. ütles pressiteates. "Kasutatud keraamika on mittetoksiline, odav ja mitte kõige vähem inertne nii keha tingimuste kui ka implantatsioonieelse steriliseerimise tingimuste suhtes. Senine kontseptsioon ja demonstratsioon on tõepoolest paljulubavad."
Simons ütles, et uued kütuseelemendid võivad tulevikus võimaldada täiesti uusi seadmeklasse. "Arvestades, kui väike on meie kütuseelement, võib ette kujutada siirdatavaid seadmeid, mis on vaid mõne mikromeetri suured," lisas ta. "Mis siis, kui saaksime nüüd üksikuid rakke siirdatavate seadmetega käsitleda?"
