Klíčové poznatky
- Výzkumníci z MIT vyvinuli novou energetickou buňku, která funguje s využitím glukózy vašeho těla.
- Buňky by mohly napájet lékařská zařízení a pomáhat lidem, kteří si do svého těla implantují elektronické přístroje pro pohodlí.
- Implantovatelná zařízení musí být co nejmenší, aby se minimalizoval jejich dopad na pacienty.
Vaše vlastní tělo by mohlo být zdrojem energie pro budoucí gadgety.
Vědci z MIT vyvinuli palivový článek na glukózu, který by mohl pohánět miniaturní implantáty a senzory. Zařízení měří asi 1/100 průměru lidského vlasu a generuje asi 43 mikrowattů na centimetr čtvereční elektřiny. Palivové články by mohly být užitečné v medicíně a malému, ale rostoucímu počtu lidí, kteří si pro pohodlí implantují do těla elektronické přístroje.
"Glukózové palivové články se mohou stát užitečnými pro napájení implantovatelných zařízení pomocí paliva snadno dostupného v těle," Philipp Simons, který vyvinul design jako součást svého Ph. D. práce, řekl Lifewire v e-mailovém rozhovoru. "Například si představujeme použití našeho glukózového palivového článku k napájení vysoce miniaturizovaných senzorů, které měří tělesné funkce. Představte si monitorování glukózy u pacientů s cukrovkou, monitorování srdečních stavů nebo sledování biomarkerů, které identifikují vývoj nádoru."
Malý, ale mocný
Největší výzvou při navrhování nového palivového článku bylo přijít s designem, který byl dostatečně malý, řekl Simons. Dodal, že implantabilní zařízení musí být co nejmenší, aby se minimalizoval jejich dopad na pacienty.
"V současné době jsou baterie velmi omezené, pokud jde o to, jak malé mohou být: pokud baterii zmenšíte, sníží se, kolik energie může poskytnout," řekl Simons. "Ukázali jsme, že se zařízením, které je 100krát tenčí než lidský vlas, můžeme poskytnout energii, která by stačila k napájení miniaturních senzorů."
Vzhledem k tomu, jak malý je náš palivový článek, lze si představit implantovatelná zařízení, která jsou velká jen několik mikrometrů.
Simons a jeho spolupracovníci museli vyrobit nové zařízení schopné generovat elektřinu a dostatečně odolné, aby vydrželo teploty až 600 stupňů Celsia. Pokud by byl palivový článek použit v lékařském implantátu, musel by projít procesem sterilizace při vysoké teplotě.
Při hledání materiálu, který by odolal vysokému žáru, se výzkumníci obrátili na keramiku, která si zachovává své elektrochemické vlastnosti i při vysokých teplotách. Vědci předpokládají, že nový design by mohl být vyroben do ultratenkých filmů nebo povlaků a obalen kolem implantátů, aby pasivně napájel elektroniku s využitím bohaté zásoby glukózy v těle.
Nápad na nový palivový článek přišel v roce 2016, kdy Jennifer L. M. Rupp, vedoucí Simonsovy diplomové práce a profesorka MIT, která se specializuje na keramiku a elektrochemická zařízení, šla během těhotenství na glukózový test.
"V ordinaci jsem byl velmi znuděný elektrochemik a přemýšlel jsem, co byste mohli dělat s cukrem a elektrochemií," řekl Rupp v tiskové zprávě. "Pak jsem si uvědomil, že by bylo dobré mít polovodičové zařízení napájené glukózou. A Philipp a já jsme se sešli u kávy a napsali na ubrousek první kresby."
Glukózové palivové články byly poprvé představeny v 60. letech 20. století, ale rané modely byly založeny na měkkých polymerech. Tyto rané zdroje paliva byly nahrazeny lithium-jodidovými bateriemi.
"K dnešnímu dni se baterie obvykle používají k napájení implantovatelných zařízení, jako jsou kardiostimulátory," řekl Simons. „Těmto bateriím však časem dojde energie, což znamená, že kardiostimulátor je třeba pravidelně vyměňovat. To je ve skutečnosti obrovský zdroj komplikací."
Budoucnost může být malá a implantovatelná
Při hledání řešení palivových článků, které by mohly v těle vydržet neomezeně dlouho, tým spojil elektrolyt s anodou a katodou vyrobenou z platiny, stabilního materiálu, který snadno reaguje s glukózou.
Typ materiálů v novém glukózovém palivovém článku umožňuje flexibilitu, pokud jde o to, kde může být v těle implantován. "Například může odolat korozivnímu prostředí trávicího systému, což by mohlo umožnit nové senzory monitorující chronická onemocnění, jako je syndrom dráždivého tračníku," řekl Simons.
Výzkumníci umístili buňky na křemíkové destičky, čímž ukázali, že zařízení lze spárovat s běžným polovodičovým materiálem. Poté změřili proud produkovaný každou buňkou, když protékal roztok glukózy přes každou destičku v na zakázku vyrobené testovací stanici.
Mnoho článků produkovalo špičkové napětí asi 80 milivoltů, podle výsledků zveřejněných v nedávném článku v časopise Advanced Materials. Výzkumníci tvrdí, že se jedná o nejvyšší hustotu výkonu ze všech glukózových palivových článků.
Glukózové palivové články se mohou stát užitečnými pro napájení implantovatelných zařízení pomocí paliva snadno dostupného v těle.
Tým MIT „otevřel novou cestu k miniaturním zdrojům energie pro implantované senzory a možná i další funkce,“Truls Norby, profesor chemie na univerzitě v Oslu v Norsku, který se na práci nijak nepodílel, uvedl v tiskové zprávě. "Použitá keramika je netoxická, levná a ne nejméně inertní, jak vůči podmínkám v těle, tak vůči podmínkám sterilizace před implantací. Koncepce a dosavadní demonstrace jsou skutečně slibné."
Simons řekl, že nové palivové články by mohly v budoucnu umožnit zcela nové třídy zařízení. "Vzhledem k tomu, jak malý je náš palivový článek, lze si představit implantovatelná zařízení, která jsou velká jen několik mikrometrů," dodal. "Co kdybychom teď mohli jednotlivé buňky oslovit implantovatelnými zařízeními?"
