A legfontosabb elvitelek
- MIT kutatók új erőelemet fejlesztettek ki, amely a szervezet glükózát használja fel.
- A sejtek elláthatják az orvosi eszközöket, és segíthetnek azoknak, akik a kényelem kedvéért elektronikus eszközöket ültetnek be a testükbe.
- A beültethető eszközöknek a lehető legkisebbnek kell lenniük, hogy minimálisra csökkentsük a betegekre gyakorolt hatásukat.
Saját teste energiaforrás lehet a jövőbeni kütyük számára.
A MIT tudósai kifejlesztettek egy glükózzal működő üzemanyagcellát, amely miniatűr implantátumokat és érzékelőket táplálhat. A készülék az emberi hajszál átmérőjének körülbelül 1/100-át méri, és körülbelül 43 mikrowattot termel négyzetcentiméterenként. Az üzemanyagcellák hasznosak lehetnek az orvostudományban, valamint azon kis számú, de egyre növekvő számú ember számára, akik kényelmi okokból elektronikus szerkentyűket ültetnek be testükbe.
"A glükóz üzemanyagcellák hasznosak lehetnek a beültethető eszközök táplálására a szervezetben könnyen elérhető tüzelőanyag felhasználásával." Philipp Simons, aki Ph. D. tanulmánya részeként fejlesztette ki a tervezést. dolgozat, mondta a Lifewire egy e-mailes interjúban. "Például azt képzeljük, hogy glükóz üzemanyagcellánkat nagymértékben miniatürizált érzékelők működtetésére használjuk, amelyek a test funkcióit mérik. Gondoljunk csak a cukorbetegek glükózszintjének monitorozására, a szívbetegségek monitorozására vagy a daganatok fejlődését azonosító biomarkerek nyomon követésére."
Apró, de hatalmas
Az új üzemanyagcella tervezésének legnagyobb kihívása az volt, hogy egy kellően kicsi konstrukciót dolgozzanak ki, mondta Simons. Hozzátette, hogy a beültethető eszközöknek a lehető legkisebbeknek kell lenniük, hogy minimálisra csökkentsék a betegekre gyakorolt hatásukat.
"Jelenleg az akkumulátorok nagyon korlátozottak abban, hogy milyen kicsivé váljanak: ha kisebbre csökkenti az akkumulátort, az csökkenti az általa szolgáltatható energiát" - mondta Simons. "Megmutattuk, hogy egy olyan eszközzel, amely 100-szor vékonyabb, mint egy emberi haj, olyan energiát tudunk biztosítani, amely elegendő a miniatűr érzékelők táplálásához."
Tekintettel arra, hogy milyen kicsi az üzemanyagcellánk, el lehet képzelni olyan beültethető eszközöket, amelyek csak néhány mikrométer nagyok.
Simonsnak és munkatársainak az új eszközt elektromos áram előállítására kellett alkalmassá tenniük, és elég szívóssá kellett tenniük ahhoz, hogy akár 600 Celsius fokos hőmérsékletet is ellenálljanak. Ha orvosi implantátumban használják, az üzemanyagcellának magas hőmérsékletű sterilizálási folyamaton kell keresztülmennie.
A nagy hőnek ellenálló anyag megtalálásához a kutatók a kerámiához fordultak, amely még magas hőmérsékleten is megőrzi elektrokémiai tulajdonságait. A kutatók elképzelése szerint az új dizájnból ultravékony fóliák vagy bevonatok készíthetők, és implantátumok köré tekerhetők, hogy passzívan megerősítsék az elektronikát, felhasználva a szervezet bőséges glükózellátását.
Az új üzemanyagcella ötlete 2016-ban támadt, amikor Jennifer L. M. Rupp, Simons szakdolgozatának témavezetője és a kerámiákra és elektrokémiai eszközökre szakosodott MIT professzor terhessége alatt glükóztesztre ment.
"Az orvosi rendelőben nagyon unatkozó elektrokémikus voltam, és azon gondolkodtam, mit lehetne kezdeni a cukorral és az elektrokémiával" - mondta Rupp egy sajtóközleményben. "Aztán rájöttem, hogy jó lenne egy glükózzal működő szilárdtest-készülék. Philippel kávézás közben találkoztunk, és felírtuk egy szalvétára az első rajzokat."
A glükóz üzemanyagcellákat először az 1960-as években vezették be, de a korai modellek lágy polimereken alapultak. Ezeket a korai üzemanyagforrásokat lítium-jodid akkumulátorok váltották fel.
"A mai napig jellemzően elemeket használnak beültethető eszközök, például szívritmus-szabályozók táplálására" - mondta Simons. "Azonban ezek az akkumulátorok végül kimerülnek, ami azt jelenti, hogy a pacemakert rendszeresen cserélni kell. Ez valójában a bonyodalmak hatalmas forrása."
A jövő kicsi és beültethető is lehet
A testben korlátlan ideig fennmaradó üzemanyagcellás megoldás keresése során a csapat platinából készült anóddal és katóddal ellátott elektrolitot szendvicsezett, amely stabil anyag, amely könnyen reagál a glükózzal.
Az új glükóz üzemanyagcella anyagtípusa rugalmasságot tesz lehetővé abban a tekintetben, hogy hol lehet beültetni a szervezetbe. "Például képes ellenállni az emésztőrendszer korrozív környezetének, ami lehetővé teheti az új érzékelők számára a krónikus betegségek, például az irritábilis bél szindróma monitorozását" - mondta Simons.
A kutatók a cellákat szilíciumlapkákra helyezték, megmutatva, hogy az eszközök párosíthatók egy közös félvezető anyaggal. Ezután megmérték az egyes cellák által termelt áramerősséget, miközben glükózoldatot áramoltattak az egyes ostyákon egy egyedi gyártású tesztállomáson.
Sok cella körülbelül 80 millivoltos csúcsfeszültséget produkált az Advanced Materials folyóiratban megjelent friss tanulmányban. A kutatók azt állítják, hogy ez a legnagyobb teljesítménysűrűség a glükóz üzemanyagcella-konstrukciók közül.
A glükóz üzemanyagcellák hasznosak lehetnek a beültethető eszközök táplálására a testben könnyen elérhető üzemanyag felhasználásával.
Az MIT csapata „új utat nyitott a beültetett érzékelők és esetleg más funkciók miniatűr áramforrásai felé” – mondta Truls Norby, a norvégiai Oslói Egyetem kémiaprofesszora, aki nem járult hozzá a munkához, – áll egy sajtóközleményben. "A felhasznált kerámiák nem mérgezőek, olcsók és a legkevésbé sem inertek, mind a test körülményeihez, mind a beültetés előtti sterilizálás körülményeihez képest. Az eddigi koncepció és a bemutatás valóban ígéretes."
Simons azt mondta, hogy az új üzemanyagcellák teljesen új típusú eszközöket tesznek lehetővé a jövőben. „Tekintettel arra, hogy milyen kicsi az üzemanyagcellánk, elképzelhetünk olyan beültethető eszközöket, amelyek csak néhány mikrométer nagyok” – tette hozzá. "Mi lenne, ha most beültethető eszközökkel kezelhetnénk az egyes sejteket?"
