Key takeaways
- MIT-forskere udviklede en ny kraftcelle, der arbejder ved hjælp af din krops glukose.
- Cellerne kunne forsyne medicinsk udstyr og hjælpe folk, der for nemheds skyld implanterer elektroniske gadgets i deres kroppe.
- Implanterbare enheder skal være så små som muligt for at minimere deres indvirkning på patienter.
Din egen krop kan være en strømkilde til fremtidige gadgets.
MIT-forskere har udviklet en glukosedrevet brændselscelle, der kan brænde miniatureimplantater og sensorer. Enheden måler omkring 1/100 af diameteren af et menneskehår og genererer omkring 43 mikrowatt pr. kvadratcentimeter elektricitet. Brændselscellerne kunne være nyttige inden for medicin og det lille, men voksende antal mennesker, der for nemheds skyld implanterer elektroniske gadgets i deres kroppe.
"Glucosebrændselsceller kan blive nyttige til at drive implanterbare enheder ved hjælp af et brændstof, der er let tilgængeligt i kroppen," Philipp Simons, der udviklede designet som en del af sin ph.d. afhandling, fort alte Lifewire i et e-mailinterview. "For eksempel forestiller vi os at bruge vores glukosebrændselscelle til at drive meget miniaturiserede sensorer, som måler kropsfunktioner. Tænk på glukoseovervågning for diabetespatienter, overvågning af hjertetilstande eller sporing af biomarkører, der identificerer udviklingen af en tumor."
Tiny but Mighty
Den største udfordring ved at designe den nye brændselscelle var at komme med et design, der var lille nok, sagde Simons. Han tilføjede, at implanterbare enheder skal være så små som muligt for at minimere deres indvirkning på patienter.
"I øjeblikket er batterier meget begrænsede i, hvor små de kan blive: Hvis du gør et batteri mindre, reducerer det, hvor meget energi det kan levere," sagde Simons. "Vi har vist, at med en enhed, der er 100 gange tyndere end et menneskehår, kan vi levere energi, der ville være tilstrækkelig til at drive miniaturesensorer."
I betragtning af hvor lille vores brændselscelle er, kan man forestille sig implanterbare enheder, der kun er et par mikrometer store.
Simons og hans samarbejdspartnere var nødt til at gøre den nye enhed i stand til at generere elektricitet og robust nok til at modstå temperaturer op til 600 grader Celsius. Hvis den bruges i et medicinsk implantat, skal brændselscellen gennemgå en højtemperatursteriliseringsproces.
For at finde et materiale, der kunne modstå den høje varme, vendte forskerne sig til keramik, som bevarer sine elektrokemiske egenskaber selv ved høje temperaturer. Forskerne forestiller sig, at det nye design kan laves om til ultratynde film eller belægninger og vikles rundt om implantater for passivt at drive elektronik ved hjælp af kroppens rigelige glukoseforsyning.
Ideen til den nye brændselscelle kom i 2016, da Jennifer L. M. Rupp, Simons' specialevejleder og en MIT-professor, som har specialiseret sig i keramik og elektrokemiske apparater, gik til en glukosetest under sin graviditet.
"På lægens kontor kedede jeg mig meget elektrokemiker og tænkte på, hvad man kunne gøre med sukker og elektrokemi," sagde Rupp i en pressemeddelelse. "Så indså jeg, at det ville være godt at have en glukosedrevet solid-state enhed. Og Philipp og jeg mødtes over en kop kaffe og skrev de første tegninger på en serviet."
Glucosebrændselsceller blev først introduceret i 1960'erne, men de tidlige modeller var baseret på bløde polymerer. Disse tidlige brændstofkilder blev erstattet af lithium-iodid-batterier.
"Hidtil er batterier typisk brugt til at drive implanterbare enheder såsom pacemakere," sagde Simons. "Men disse batterier vil i sidste ende løbe tør for energi, hvilket betyder, at en pacemaker skal udskiftes regelmæssigt. Dette er faktisk en enorm kilde til komplikationer."
Fremtiden kan være lille og implanterbar
I søgen efter en brændselscelleopløsning, der kunne holde på ubestemt tid inde i kroppen, lagde holdet en elektrolyt i klem med en anode og katode lavet af platin, et stabilt materiale, der let reagerer med glukose.
Typen af materialer i den nye glukosebrændselscelle giver fleksibilitet med hensyn til, hvor den kan implanteres i kroppen. "For eksempel kan det modstå det ætsende miljø i fordøjelsessystemet, hvilket kunne muliggøre nye sensorer, der overvåger kroniske sygdomme såsom irritabel tyktarm," sagde Simons.
Forskerne satte cellerne på siliciumwafere, hvilket viser, at enhederne kan parres med et almindeligt halvledermateriale. De målte derefter strømmen produceret af hver celle, mens de flød en opløsning af glukose over hver wafer i en specialfremstillet teststation.
Mange celler producerede en spidsspænding på omkring 80 millivolt, ifølge resultater offentliggjort i et nyligt papir i tidsskriftet Advanced Materials. Forskerne hævder, at dette er den højeste effekttæthed af ethvert glukosebrændselscelledesign.
Glucosebrændselsceller kan blive nyttige til at drive implanterbare enheder ved hjælp af et brændstof, der er let tilgængeligt i kroppen.
MIT-teamet har "åbnet en ny rute til miniaturestrømkilder til implanterede sensorer og måske andre funktioner," Truls Norby, professor i kemi ved Universitetet i Oslo i Norge, som ikke har bidraget til arbejdet, sagde i en pressemeddelelse. "Den anvendte keramik er ikke-giftig, billig og ikke den mindste inaktive, både over for forholdene i kroppen og over for steriliseringsbetingelserne forud for implantation. Konceptet og demonstrationen indtil videre er virkelig lovende."
Simons sagde, at de nye brændselsceller kunne muliggøre helt nye klasser af enheder i fremtiden. "I betragtning af hvor lille vores brændselscelle er, kan man forestille sig implanterbare enheder, der kun er et par mikrometer store," tilføjede han. "Hvad hvis vi nu kunne adressere individuelle celler med implanterbare enheder?"
