葡萄糖是我們從我們吃的食物中吸收的糖分。它是為我們體內(nèi)每個(gè)細(xì)胞提供動(dòng)力的燃料。葡萄糖還能為明天的醫(yī)療植入物提供動(dòng)力嗎？

麻省理工學(xué)院和慕尼黑工業(yè)大學(xué)的工程師都這么認(rèn)為。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型葡萄糖燃料電池，可將葡萄糖直接轉(zhuǎn)化為電能。該裝置比其他提議的葡萄糖燃料電池更小，厚度僅為 400 納米，約為人類(lèi)頭發(fā)直徑的 1/100。含糖電源每平方厘米產(chǎn)生約 43 微瓦的電力，在環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)了迄今為止任何葡萄糖燃料電池的功率密度。

新設(shè)備還具有彈性，能夠承受高達(dá) 600 攝氏度的溫度。如果結(jié)合到醫(yī)療植入物中，燃料電池可以通過(guò)所有可植入設(shè)備所需的高溫過(guò)程保持穩(wěn)定。

新設(shè)備的核心由陶瓷制成，這種材料即使在高溫和微型尺度下也能保持其電化學(xué)特性。研究人員設(shè)想，新設(shè)計(jì)可以制成超薄膜或涂層，并包裹在植入物周?chē)?，利用人體豐富的葡萄糖供應(yīng)為電子設(shè)備被動(dòng)供電。

“葡萄糖在體內(nèi)無(wú)處不在，我們的想法是收集這種現(xiàn)成的能量并將其用于為可植入設(shè)備提供動(dòng)力，”P(pán)hilipp Simons 說(shuō)，他在麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系的博士論文中開(kāi)發(fā)了該設(shè)計(jì)。 DMSE)。“在我們的工作中，我們展示了一種新的葡萄糖燃料電池電化學(xué)?！?/span>

Simons 的論文 Jennifer LM Rupp 說(shuō)：“您可以使用薄膜制造設(shè)備，而不是使用可能占據(jù)植入物體積 90% 的電池，并且您將擁有一個(gè)沒(méi)有體積足跡的電源?！睂?dǎo)師，DMSE客座教授，德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)固態(tài)電解質(zhì)化學(xué)副教授。

西蒙斯和他的同事今天在《先進(jìn)材料》雜志上詳細(xì)介紹了他們的設(shè)計(jì)。該研究的合著者包括 Rupp、Steven Schenk、Marco Gysel 和 Lorenz Olbrich。

“硬”分離

新型燃料電池的靈感來(lái)自 2016 年，當(dāng)時(shí)專(zhuān)門(mén)研究陶瓷和電化學(xué)設(shè)備的 Rupp 在懷孕快要結(jié)束時(shí)進(jìn)行了常規(guī)葡萄糖測(cè)試。

“在醫(yī)生的辦公室里，我是一個(gè)非常無(wú)聊的電化學(xué)家，想著你可以用糖和電化學(xué)做什么，”魯普回憶道。“然后我意識(shí)到，擁有一個(gè)以葡萄糖為動(dòng)力的固態(tài)設(shè)備會(huì)很好。菲利普和我在喝咖啡時(shí)見(jiàn)面，并在餐巾紙上寫(xiě)下了幅畫(huà)。”

該團(tuán)隊(duì)并不是個(gè)構(gòu)思葡萄糖燃料電池的人，該電池初是在 1960 年代引入的，并顯示出將葡萄糖的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的潛力。但當(dāng)時(shí)的葡萄糖燃料電池基于軟聚合物，很快就被碘化鋰電池取代，后者將成為醫(yī)療植入物的標(biāo)準(zhǔn)電源，尤其是心臟起搏器。

然而，電池的尺寸有限，因?yàn)樗鼈兊脑O(shè)計(jì)需要物理容量來(lái)存儲(chǔ)能量。

“燃料電池直接轉(zhuǎn)換能量而不是將其存儲(chǔ)在設(shè)備中，因此您不需要將能量存儲(chǔ)在電池中所需的所有體積，”Rupp 說(shuō)。

近年來(lái)，科學(xué)家們?cè)俅螌⑵咸烟侨剂想姵匾暈闈撛诘母〉哪茉?，直接由人體豐富的葡萄糖提供燃料。

葡萄糖燃料電池的基本設(shè)計(jì)由三層組成：頂部陽(yáng)極、中間電解質(zhì)和底部陰極。陽(yáng)極與體液中的葡萄糖發(fā)生反應(yīng)，將糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸。這種電化學(xué)轉(zhuǎn)換釋放出一對(duì)質(zhì)子和一對(duì)電子。中間電解質(zhì)的作用是將質(zhì)子與電子分離，將質(zhì)子傳導(dǎo)通過(guò)燃料電池，在那里它們與空氣結(jié)合形成水分子——一種無(wú)害的副產(chǎn)物，隨體液流走。同時(shí)，隔離的電子流向外部電路，可用于為電子設(shè)備供電。

該團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)修改通常由聚合物制成的電解質(zhì)層來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有材料和設(shè)計(jì)。但是聚合物的特性，連同它們傳導(dǎo)質(zhì)子的能力，在高溫下很容易降解，當(dāng)縮小到納米尺寸時(shí)很難保持，而且很難消毒。研究人員想知道是否可以將陶瓷——一種可以自然傳導(dǎo)質(zhì)子的耐熱材料——制成葡萄糖燃料電池的電解質(zhì)。

“當(dāng)你想到用于這種葡萄糖燃料電池的陶瓷時(shí)，它們具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性小和硅芯片集成等優(yōu)勢(shì)，”Rupp 指出。“它們堅(jiān)硬而健壯。”

峰值功率

研究人員設(shè)計(jì)了一種葡萄糖燃料電池，其電解質(zhì)由二氧化鈰制成，二氧化鈰是一種具有高離子電導(dǎo)率的陶瓷材料，機(jī)械強(qiáng)度高，因此被廣泛用作氫燃料電池的電解質(zhì)。它也被證明是生物相容的。

“癌癥研究界正在積極研究二氧化鈰，”西蒙斯指出。“它也類(lèi)似于用于牙齒植入物的氧化鋯，具有生物相容性和安全性?！?/span>

該團(tuán)隊(duì)將電解質(zhì)與由鉑制成的陽(yáng)極和陰極夾在中間，鉑是一種容易與葡萄糖反應(yīng)的穩(wěn)定材料。他們?cè)谝粋€(gè)芯片上制造了 150 個(gè)單獨(dú)的葡萄糖燃料電池，每個(gè)大約 400 納米薄，大約 300 微米寬（大約 30 根人類(lèi)頭發(fā)的寬度）。他們將電池圖案化到硅晶片上，表明這些設(shè)備可以與常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料配對(duì)。然后，他們測(cè)量了每個(gè)電池在定制測(cè)試站中將葡萄糖溶液流過(guò)每個(gè)晶片時(shí)產(chǎn)生的電流。

他們發(fā)現(xiàn)許多電池產(chǎn)生的峰值電壓約為 80 毫伏。鑒于每個(gè)電池的尺寸很小，該輸出是任何現(xiàn)有葡萄糖燃料電池設(shè)計(jì)中的功率密度。

“令人興奮的是，我們能夠獲得足以為植入式設(shè)備供電的功率和電流，”西蒙斯說(shuō)。

“這是次將電陶瓷材料中的質(zhì)子傳導(dǎo)用于葡萄糖到能量的轉(zhuǎn)換，定義了一種新型的電化學(xué)，”Rupp 說(shuō)。“它將材料用例從氫燃料電池?cái)U(kuò)展到新的、令人興奮的葡萄糖轉(zhuǎn)換模式。”

挪威奧斯陸大學(xué)化學(xué)教授特魯斯·諾比（Truls Norby）沒(méi)有參與這項(xiàng)工作，他說(shuō)，研究人員“開(kāi)辟了一條新途徑，為植入傳感器和其他功能的微型電源開(kāi)辟了一條新途徑。” “所使用的陶瓷無(wú)毒、便宜，而且對(duì)體內(nèi)條件和植入前的消毒條件都呈惰性。到目前為止，這個(gè)概念和示范確實(shí)很有希望?！?/span>