Питание медицинских имплантатов может оказаться непростым делом, но использование в качестве источника топлива энергии собственного организма может надолго сохранить их работоспособность. Новая конструкция крошечного топливного элемента преобразует глюкозу в электричество для питания имплантатов более эффективно, чем любая другая известная до сих пор технология.

Этот кремниевый чип содержит десятки глюкозных топливных элементов, которые можно увидеть в виде маленьких серебристых квадратиков. Kent Dayton

Такие устройства, как кардиостимуляторы, могут работать десятилетиями, поэтому они нуждаются в постоянном электроснабжении, а прокладка кабелей сквозь кожу пациента не является самым оптимальным решением. Встраиваемые аккумуляторы могли бы стать некоторым компромиссом, но их замена требует хирургического вмешательства. Даже с учетом новых достижений в области беспроводной зарядки, батареи занимают слишком много мест в устройствах, которые должны быть как можно компактней и легче.

В идеале имплантаты должны быть оснащены устройствами, способными генерировать собственную энергию, а что может быть более эффективным источником энергии, чем наши собственные клетки? Глюкозные топливные элементы, которые преобразуют химическую энергию сахара содержащегося в крови в электричество, разрабатывались уже несколько десятков лет, но они до сих пор имеют множество недостатков. Возможно с помощью нового устройства, разработанного исследователями из Массачусетского технологического института и Мюнхенского технического университета, можно будет найти решение этой проблемы.

Структура нового топливного элемента практически идентична существующим аккумуляторам и состоит из анода, электролита и катода. Анод вступает в реакцию с глюкозой в жидкостях организма, производя глюконовую кислоту, в результате чего высвобождаются два протона и два электрона. Электролит уносит протоны, где они смешиваются с воздухом и превращаются в безвредные молекулы воды. А поток электронов создает электрический ток, который используется для питания имплантированного устройства.

Как правило, электролиты в глюкозных топливных элементах изготавливаются из полимеров, но для изготовления своего устройства исследователи воспользовались керамикой с содержанием диоксида церия - прочный, устойчивый материалом, который хорошо пропускает протоны и используется для тех же целей в водородных топливных элементах. Электроды были сделаны из платины, которая активно взаимодействует с глюкозой.

Исследователи изготовили около 150 крошечных топливных элементов (шириной около 300 микрометров и толщиной 400 нанометров). Ученые поместили ячейки на кремниевые пластины, доказав, что устройства могут быть объединены с обычными полупроводниковыми материалами. Затем они измерили ток, вырабатываемый каждой ячейкой, нанеся на пластину раствор глюкозы.

Топливные элементы выдавали пиковое напряжение около 80 милливольт, что соответствует примерно 43 микроваттам на квадратный сантиметр. Команда говорит, что это самая высокая плотность мощности среди всех топливных элементов на основе глюкозы, созданных до сих пор, и ее более чем достаточно для питания имплантируемых устройств.

В дополнение к высоким мощностным показателям, керамический материал обеспечивает более длительный срок службы и позволяет выдерживать высокие температуры во время стерилизации. Как считают разработчики, на "основе таких элементов можно создавать тонкопленочные покрытия, которые будут и оборачивать в них имплантаты, обеспечивая, таким образом, их надежное питание".

Результаты работы опубликованы в издании Journal Advanced Materials.

Источники: MIT, Journal Advanced Materials.
(https://news.mit.edu/2022/glucose-fuel-cell-electricity-0512) (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202109075)