Sleutel wegneemetes
- MIT-navorsers het 'n nuwe kragsel ontwikkel wat met jou liggaam se glukose werk.
- Die selle kan mediese toestelle aandryf en mense help wat gerieflikheidshalwe elektroniese toestelle in hul liggame inplant.
- Inplantbare toestelle moet so klein as moontlik wees om hul impak op pasiënte te minimaliseer.
Jou eie liggaam kan 'n kragbron vir toekomstige toestelle wees.
MIT-wetenskaplikes het 'n glukose-aangedrewe brandstofsel ontwikkel wat miniatuurinplantings en sensors kan aanvuur. Die toestel meet ongeveer 1/100 die deursnee van 'n menslike haar en genereer ongeveer 43 mikrowatt per vierkante sentimeter elektrisiteit. Die brandstofselle kan nuttig wees in medisyne en die klein maar groeiende aantal mense wat gerieflikheidshalwe elektroniese toestelle in hul liggame inplant.
"Glukosebrandstofselle kan nuttig word om inplantbare toestelle aan te dryf deur gebruik te maak van 'n brandstof wat geredelik in die liggaam beskikbaar is," Philipp Simons, wat die ontwerp ontwikkel het as deel van sy Ph. D. tesis, het in 'n e-posonderhoud aan Lifewire gesê. "Ons beoog byvoorbeeld om ons glukosebrandstofsel te gebruik om hoogs geminiaturiseerde sensors aan te dryf wat liggaamsfunksies meet. Dink aan glukosemonitering vir diabetespasiënte, monitering van kardiale toestande, of die dop van biomerkers wat die evolusie van 'n gewas identifiseer."
Tiny but Mighty
Die grootste uitdaging in die ontwerp van die nuwe brandstofsel was om met 'n ontwerp vorendag te kom wat klein genoeg was, het Simons gesê. Hy het bygevoeg dat inplantbare toestelle so klein as moontlik moet wees om hul impak op pasiënte te verminder.
"Tans is batterye baie beperk in hoe klein hulle kan word: as jy 'n battery kleiner maak, verminder dit hoeveel energie dit kan verskaf," het Simons gesê. "Ons het gewys dat ons met 'n toestel wat 100 keer dunner as 'n menslike haar is, energie kan verskaf wat voldoende sal wees om miniatuursensors aan te dryf."
Gegewe hoe klein ons brandstofsel is, kan mens jou inplantbare toestelle voorstel wat net 'n paar mikrometer groot is.
Simons en sy medewerkers moes die nuwe toestel in staat stel om elektrisiteit op te wek en taai genoeg te maak om temperature tot 600 grade Celsius te weerstaan. As dit in 'n mediese inplanting gebruik word, sal die brandstofsel deur 'n hoë-temperatuur sterilisasieproses moet gaan.
Om 'n materiaal te vind wat die hoë hitte kan weerstaan, het die navorsers hulle na keramiek gewend, wat selfs by hoë temperature sy elektrochemiese eienskappe behou. Die navorsers beoog dat die nuwe ontwerp in ultradun films of bedekkings gemaak kan word en om inplantings toegedraai kan word om elektronika passief aan te dryf, met behulp van die liggaam se oorvloedige glukosetoevoer.
Die idee vir die nuwe brandstofsel het in 2016 gekom toe Jennifer L. M. Rupp, Simons se proefskrifstudieleier en 'n MIT-professor, wat in keramiek en elektrochemiese toestelle spesialiseer, tydens haar swangerskap vir 'n glukosetoets gegaan het.
"In die dokter se kantoor was ek 'n baie verveelde elektrochemikus en het gedink wat jy met suiker en elektrochemie kan doen," het Rupp in 'n nuusverklaring gesê. "Toe besef ek dit sal goed wees om 'n glukose-aangedrewe vastestoftoestel te hê. En ek en Philipp het mekaar oor koffie ontmoet en die eerste tekeninge op 'n servet geskryf."
Glukose-brandstofselle is die eerste keer in die 1960's bekendgestel, maar die vroeë modelle was op sagte polimere gebaseer. Hierdie vroeë brandstofbronne is deur litium-jodiedbatterye vervang.
"Tot op hede word batterye tipies gebruik om inplantbare toestelle soos pasaangeërs aan te dryf," het Simons gesê. “Hierdie batterye sal egter uiteindelik sonder energie opraak wat beteken dat’n pasaangeër gereeld vervang moet word. Dit is eintlik 'n groot bron van komplikasies."
Die toekoms kan klein en inplantbaar wees
In die soeke na 'n brandstofseloplossing wat onbepaald in die liggaam kan hou, het die span 'n elektroliet met 'n anode en katode van platinum gemaak, 'n stabiele materiaal wat geredelik met glukose reageer.
Die tipe materiale in die nuwe glukosebrandstofsel laat buigsaamheid toe in terme van waar dit in die liggaam ingeplant kan word. "Dit kan byvoorbeeld die korrosiewe omgewing van die spysverteringstelsel weerstaan, wat nuwe sensors in staat kan stel om chroniese siektes soos prikkelbare derm-sindroom te monitor," het Simons gesê.
Die navorsers het die selle op silikonwafels geplaas, wat wys dat die toestelle met 'n algemene halfgeleiermateriaal gepaar kan word. Hulle het dan die stroom gemeet wat deur elke sel geproduseer word terwyl hulle 'n oplossing van glukose oor elke wafel in 'n pasgemaakte toetsstasie vloei.
Baie selle het 'n piekspanning van ongeveer 80 millivolt geproduseer, volgens resultate wat in 'n onlangse referaat in die joernaal Advanced Materials gepubliseer is. Die navorsers beweer dit is die hoogste kragdigtheid van enige glukosebrandstofselontwerp.
Glukosebrandstofselle kan nuttig word om inplantbare toestelle aan te dryf deur gebruik te maak van 'n brandstof wat geredelik in die liggaam beskikbaar is.
Die MIT-span het "'n nuwe roete oopgemaak na miniatuurkragbronne vir ingeplante sensors en miskien ander funksies," Truls Norby, 'n professor in chemie aan die Universiteit van Oslo in Noorweë, wat nie tot die werk bygedra het nie, in 'n nuusverklaring gesê. "Die keramiek wat gebruik word is nie-giftig, goedkoop, en nie die minste inert nie, beide vir die toestande in die liggaam en vir toestande van sterilisasie voor inplanting. Die konsep en demonstrasie tot dusver is inderdaad belowend."
Simons het gesê die nuwe brandstofselle kan heeltemal nuwe klasse toestelle in die toekoms moontlik maak. "Gegewe hoe klein ons brandstofsel is, kan 'n mens inplantbare toestelle voorstel wat net 'n paar mikrometer groot is," het hy bygevoeg. "Wat as ons nou individuele selle met inplantbare toestelle kan aanspreek?"
