Key takeaways
- MIT-forskere utviklet en ny kraftcelle som fungerer ved hjelp av kroppens glukose.
- Cellene kan drive medisinsk utstyr og hjelpe folk som implanterer elektroniske dingser i kroppen for enkelhets skyld.
- Implanterbare enheter må være så små som mulig for å minimere innvirkningen på pasientene.
Din egen kropp kan være en strømkilde for fremtidige gadgets.
MIT-forskere har utviklet en glukosedrevet brenselcelle som kan gi drivstoff til miniatyrimplantater og sensorer. Enheten måler omtrent 1/100 av diameteren til et menneskehår og genererer omtrent 43 mikrowatt per kvadratcentimeter elektrisitet. Brenselcellene kan være nyttige i medisin og det lille, men økende antallet mennesker som implanterer elektroniske dingser i kroppen for enkelhets skyld.
"Glukosebrenselceller kan bli nyttige for å drive implanterbare enheter ved hjelp av et drivstoff som er lett tilgjengelig i kroppen," Philipp Simons, som utviklet designet som en del av sin Ph. D. avhandling, fort alte Lifewire i et e-postintervju. "For eksempel ser vi for oss å bruke glukosebrenselcellen vår til å drive svært miniatyriserte sensorer som måler kroppsfunksjoner. Tenk på glukoseovervåking for diabetespasienter, overvåking av hjertetilstander eller sporing av biomarkører som identifiserer utviklingen av en svulst."
Tiny but Mighty
Den største utfordringen med å designe den nye brenselcellen var å komme opp med et design som var lite nok, sa Simons. Han la til at implanterbare enheter må være så små som mulig for å minimere innvirkningen på pasientene.
"For øyeblikket er batterier svært begrenset i hvor små de kan bli: hvis du gjør et batteri mindre, reduserer det hvor mye energi det kan gi," sa Simons. "Vi har vist at med en enhet som er 100 ganger tynnere enn et menneskehår, kan vi gi energi som vil være tilstrekkelig til å drive miniatyrsensorer."
Med tanke på hvor liten brenselcellen vår er, kan man forestille seg implanterbare enheter som bare er noen få mikrometer store.
Simons og hans samarbeidspartnere måtte gjøre den nye enheten i stand til å generere strøm og tøff nok til å tåle temperaturer opp til 600 grader Celsius. Hvis den brukes i et medisinsk implantat, vil brenselcellen måtte gå gjennom en høytemperatursteriliseringsprosess.
For å finne et materiale som tålte den høye varmen, vendte forskerne seg til keramikk, som beholder sine elektrokjemiske egenskaper selv ved høye temperaturer. Forskerne ser for seg at det nye designet kan gjøres til ultratynne filmer eller belegg og vikles rundt implantater for å passivt drive elektronikk, ved å bruke kroppens rikelige glukosetilførsel.
Ideen til den nye brenselcellen kom i 2016 da Jennifer L. M. Rupp, veileder for avhandlingen til Simons og en MIT-professor, som spesialiserer seg på keramikk og elektrokjemiske enheter, gikk til en glukosetest under svangerskapet.
"På legekontoret var jeg en veldig lei elektrokjemiker, og tenkte på hva du kunne gjøre med sukker og elektrokjemi," sa Rupp i en pressemelding. "Så skjønte jeg at det ville være bra å ha en glukosedrevet solid-state enhet. Og Philipp og jeg møttes over en kaffe og skrev de første tegningene på en serviett."
Glukosebrenselceller ble først introdusert på 1960-tallet, men de tidlige modellene var basert på myke polymerer. Disse tidlige drivstoffkildene ble erstattet av litiumjodid-batterier.
"Til dags dato brukes batterier vanligvis til å drive implanterbare enheter som pacemakere," sa Simons. "Men disse batteriene vil etter hvert gå tom for energi, noe som betyr at en pacemaker må skiftes regelmessig. Dette er faktisk en enorm kilde til komplikasjoner."
Fremtiden kan være liten og implanterbar
I jakten på en brenselcelleløsning som kan vare på ubestemt tid inne i kroppen, klemte teamet en elektrolytt med en anode og katode laget av platina, et stabilt materiale som lett reagerer med glukose.
Typen av materialer i den nye glukosebrenselcellen gir fleksibilitet med tanke på hvor den kan implanteres i kroppen. "For eksempel kan den motstå det etsende miljøet i fordøyelsessystemet, noe som kan gjøre det mulig for nye sensorer å overvåke kroniske sykdommer som irritabel tarmsyndrom," sa Simons.
Forskerne satte cellene på silisiumskiver, og viser at enhetene kan pares med et vanlig halvledermateriale. De målte deretter strømmen produsert av hver celle mens de strømmet en løsning av glukose over hver wafer i en spesialprodusert teststasjon.
Mange celler produserte en toppspenning på rundt 80 millivolt, ifølge resultater publisert i en nylig artikkel i tidsskriftet Advanced Materials. Forskerne hevder at dette er den høyeste effekttettheten av ethvert glukosebrenselcelledesign.
Glukosebrenselceller kan bli nyttige for å drive implanterbare enheter ved hjelp av et drivstoff som er lett tilgjengelig i kroppen.
MIT-teamet har "åpnet en ny rute til miniatyrstrømkilder for implanterte sensorer og kanskje andre funksjoner," Truls Norby, professor i kjemi ved Universitetet i Oslo i Norge, som ikke har bidratt til arbeidet, sa i en pressemelding. "Keramikken som brukes er giftfri, billig og ikke minst inert, både mot forholdene i kroppen og steriliseringsforholdene før implantasjon. Konseptet og demonstrasjonen så langt er virkelig lovende."
Simons sa at de nye brenselcellene kan muliggjøre helt nye klasser av enheter i fremtiden. "Gitt hvor liten brenselcellen vår er, kan man forestille seg implanterbare enheter som bare er noen få mikrometer store," la han til. "Hva om vi nå kunne adressere individuelle celler med implanterbare enheter?"
