Key takeaways
- MIT-forskare utvecklade en ny kraftcell som arbetar med din kropps glukos.
- Cellerna skulle kunna driva medicinsk utrustning och hjälpa människor som implanterar elektroniska prylar i sina kroppar för bekvämlighet.
- Implanterbara enheter måste vara så små som möjligt för att minimera deras påverkan på patienter.
Din egen kropp kan vara en kraftkälla för framtida prylar.
MIT-forskare har utvecklat en glukosdriven bränslecell som kan driva miniatyrimplantat och sensorer. Enheten mäter cirka 1/100 av diametern på ett människohår och genererar cirka 43 mikrowatt per kvadratcentimeter elektricitet. Bränslecellerna kan vara användbara inom medicin och det lilla men växande antalet människor som implanterar elektroniska prylar i sina kroppar för bekvämlighets skull.
"Glukosbränsleceller kan bli användbara för att driva implanterbara enheter med ett bränsle som är lätt tillgängligt i kroppen," Philipp Simons, som utvecklade designen som en del av sin doktorsexamen. avhandling, berättade Lifewire i en e-postintervju. "Vi föreställer oss till exempel att använda vår glukosbränslecell för att driva mycket miniatyriserade sensorer som mäter kroppsfunktioner. Tänk på glukosövervakning för diabetespatienter, övervakning av hjärttillstånd eller spårning av biomarkörer som identifierar utvecklingen av en tumör."
Tiny but Mighty
Den största utmaningen med att designa den nya bränslecellen var att komma fram till en design som var tillräckligt liten, sa Simons. Han tillade att implanterbara enheter måste vara så små som möjligt för att minimera deras påverkan på patienter.
"För närvarande är batterier mycket begränsade i hur små de kan bli: om du gör ett batteri mindre, minskar det hur mycket energi det kan ge", sa Simons. "Vi har visat att med en enhet som är 100 gånger tunnare än ett människohår, kan vi tillhandahålla energi som skulle räcka för att driva miniatyrsensorer."
Med tanke på hur liten vår bränslecell är kan man föreställa sig implanterbara enheter som bara är några mikrometer stora.
Simons och hans medarbetare var tvungna att göra den nya enheten kapabel att generera elektricitet och tillräckligt tålig för att tåla temperaturer upp till 600 grader Celsius. Om den används i ett medicinskt implantat skulle bränslecellen behöva genomgå en steriliseringsprocess vid hög temperatur.
För att hitta ett material som kunde stå emot den höga värmen vände sig forskarna till keramik, som behåller sina elektrokemiska egenskaper även vid höga temperaturer. Forskarna föreställer sig att den nya designen kan göras till ultratunna filmer eller beläggningar och lindas runt implantat för att passivt driva elektronik, med hjälp av kroppens rikliga glukostillförsel.
Idén till den nya bränslecellen kom 2016 när Jennifer L. M. Rupp, Simons examenshandledare och en MIT-professor, som specialiserat sig på keramik och elektrokemiska apparater, gick på ett glukostest under sin graviditet.
"På läkarmottagningen var jag en väldigt uttråkad elektrokemist och tänkte vad man kunde göra med socker och elektrokemi", sa Rupp i ett pressmeddelande. "Då insåg jag att det skulle vara bra att ha en glukosdriven solid state-enhet. Och Philipp och jag träffades över en kaffe och skrev de första ritningarna på en servett."
Glukosbränsleceller introducerades först på 1960-talet, men de tidiga modellerna var baserade på mjuka polymerer. Dessa tidiga bränslekällor ersattes av litiumjodidbatterier.
"Hittills används batterier vanligtvis för att driva implanterbara enheter som pacemakers", sa Simons. "Men dessa batterier kommer så småningom att ta slut på energi vilket innebär att en pacemaker måste bytas ut regelbundet. Detta är faktiskt en enorm källa till komplikationer."
Framtiden kan vara liten och implanterbar
I sökandet efter en bränslecellslösning som kunde hålla på obestämd tid inne i kroppen, satte teamet en elektrolyt med en anod och katod gjorda av platina, ett stabilt material som lätt reagerar med glukos.
Typen av material i den nya glukosbränslecellen tillåter flexibilitet när det gäller var den kan implanteras i kroppen. "Till exempel kan den motstå den frätande miljön i matsmältningssystemet, vilket kan möjliggöra nya sensorer som övervakar kroniska sjukdomar som colon irritabile", sa Simons.
Forskarna placerade cellerna på kiselskivor, vilket visar att enheterna kan paras ihop med ett vanligt halvledarmaterial. De mätte sedan strömmen som producerades av varje cell när de flödade en lösning av glukos över varje wafer i en speci altillverkad teststation.
Många celler producerade en toppspänning på cirka 80 millivolt, enligt resultat publicerade i en nyligen publicerad artikel i tidskriften Advanced Materials. Forskarna hävdar att detta är den högsta effekttätheten av någon glukosbränslecellskonstruktion.
Glukosbränsleceller kan bli användbara för att driva implanterbara enheter med ett bränsle som är lätt tillgängligt i kroppen.
MIT-teamet har "öppnat en ny väg till miniatyrströmkällor för implanterade sensorer och kanske andra funktioner", Truls Norby, professor i kemi vid universitetet i Oslo i Norge, som inte bidrog till arbetet, sa i ett pressmeddelande. "Keramiken som används är giftfri, billig och inte det minsta inerta, både mot förhållandena i kroppen och mot förhållandena för sterilisering före implantation. Konceptet och demonstrationen hittills är verkligen lovande."
Simons sa att de nya bränslecellerna kan möjliggöra helt nya klasser av enheter i framtiden. "Med tanke på hur liten vår bränslecell är kan man föreställa sig implanterbara enheter som bara är några mikrometer stora", tillade han. "Tänk om vi nu kunde adressera enskilda celler med implanterbara enheter?"
