Key Takeaways
- MIT-Forscher haben eine neue Energiezelle entwickelt, die mit der Glukose Ihres Körpers arbeitet.
- Die Zellen könnten medizinische Geräte mit Strom versorgen und Menschen helfen, die sich aus praktischen Gründen elektronische Geräte in ihren Körper implantieren.
- Implantierbare Geräte müssen so klein wie möglich sein, um ihre Auswirkungen auf die Patienten so gering wie möglich zu h alten.
Ihr eigener Körper könnte eine Energiequelle für zukünftige Geräte sein.
MIT-Wissenschaftler haben eine mit Glukose betriebene Brennstoffzelle entwickelt, die Miniaturimplantate und Sensoren mit Energie versorgen könnte. Das Gerät misst etwa 1/100 des Durchmessers eines menschlichen Haares und erzeugt etwa 43 Mikrowatt pro Quadratzentimeter Strom. Die Brennstoffzellen könnten in der Medizin und der kleinen, aber wachsenden Zahl von Menschen nützlich sein, die sich elektronische Geräte aus Bequemlichkeit in ihren Körper implantieren.
"Glukose-Brennstoffzellen können nützlich werden, um implantierbare Geräte mit Energie zu versorgen, die einen im Körper leicht verfügbaren Brennstoff verwenden ", Philipp Simons, der das Design im Rahmen seiner Promotion entwickelt hat. Diplomarbeit, sagte Lifewire in einem E-Mail-Interview. "Zum Beispiel stellen wir uns vor, unsere Glukose-Brennstoffzelle zu verwenden, um hochminiaturisierte Sensoren mit Energie zu versorgen, die Körperfunktionen messen. Denken Sie an die Glukoseüberwachung für Diabetespatienten, die Überwachung von Herzerkrankungen oder die Verfolgung von Biomarkern, die die Entwicklung eines Tumors identifizieren."
Klein aber fein
Die größte Herausforderung bei der Entwicklung der neuen Brennstoffzelle bestand darin, ein Design zu entwickeln, das klein genug war, sagte Simons. Er fügte hinzu, dass implantierbare Geräte so klein wie möglich sein müssen, um ihre Auswirkungen auf die Patienten zu minimieren.
"Derzeit sind Batterien sehr begrenzt darin, wie klein sie werden können: Wenn Sie eine Batterie kleiner machen, verringert sich die Energie, die sie liefern kann", sagte Simons. „Wir haben gezeigt, dass wir mit einem Gerät, das 100-mal dünner als ein menschliches Haar ist, Energie liefern können, die ausreichen würde, um Miniatursensoren mit Strom zu versorgen.“
Wenn man bedenkt, wie klein unsere Brennstoffzelle ist, kann man sich implantierbare Geräte vorstellen, die nur wenige Mikrometer groß sind.
Simons und seine Mitarbeiter mussten das neue Gerät in die Lage versetzen, Strom zu erzeugen und robust genug zu sein, um Temperaturen von bis zu 600 Grad Celsius standzuh alten. Beim Einsatz in einem medizinischen Implantat müsste die Brennstoffzelle einen Hochtemperatur-Sterilisationsprozess durchlaufen.
Um ein Material zu finden, das der hohen Hitze standhält, wandten sich die Forscher Keramik zu, die ihre elektrochemischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen behält. Die Forscher stellen sich vor, dass das neue Design zu ultradünnen Filmen oder Beschichtungen verarbeitet und um Implantate gewickelt werden könnte, um die Elektronik passiv mit Strom zu versorgen, wobei die reichlich vorhandene Glukoseversorgung des Körpers genutzt wird.
Die Idee für die neue Brennstoffzelle kam 2016, als Jennifer L. M. Rupp, Simons Doktorvaterin und MIT-Professorin, die sich auf Keramik und elektrochemische Geräte spezialisiert hat, während ihrer Schwangerschaft zu einem Glukosetest ging.
"In der Arztpraxis war ich ein sehr gelangweilter Elektrochemiker und dachte darüber nach, was man mit Zucker und Elektrochemie machen könnte", sagte Rupp in einer Pressemitteilung. "Dann wurde mir klar, dass es gut wäre, ein Glukose-betriebenes Solid-State-Gerät zu haben. Und Philipp und ich haben uns beim Kaffee getroffen und die ersten Zeichnungen auf eine Serviette geschrieben."
Glukose-Brennstoffzellen wurden erstmals in den 1960er Jahren eingeführt, aber die frühen Modelle basierten auf weichen Polymeren. Diese frühen Brennstoffquellen wurden durch Lithium-Jodid-Batterien ersetzt.
"Bis heute werden Batterien normalerweise verwendet, um implantierbare Geräte wie Herzschrittmacher mit Strom zu versorgen", sagte Simons. „Allerdings wird diesen Batterien irgendwann die Energie ausgehen, was bedeutet, dass ein Herzschrittmacher regelmäßig ausgetauscht werden muss. Dies ist tatsächlich eine große Quelle von Komplikationen."
Die Zukunft kann klein und implantierbar sein
Auf der Suche nach einer Brennstoffzellenlösung, die unbegrenzt im Körper verbleiben kann, fügte das Team einen Elektrolyten mit einer Anode und einer Kathode aus Platin ein, einem stabilen Material, das leicht mit Glukose reagiert.
Die Art der Materialien in der neuen Glukose-Brennstoffzelle ermöglicht Flexibilität in Bezug darauf, wo sie im Körper implantiert werden kann. „Zum Beispiel kann es der korrosiven Umgebung des Verdauungssystems standh alten, was neue Sensoren ermöglichen könnte, die chronische Krankheiten wie das Reizdarmsyndrom überwachen“, sagte Simons.
Die Forscher setzten die Zellen auf Siliziumwafer und zeigten, dass die Geräte mit einem gemeinsamen Halbleitermaterial gepaart werden können. Dann maßen sie den von jeder Zelle erzeugten Strom, während sie eine Glukoselösung über jeden Wafer in einer speziell angefertigten Teststation fließen ließen.
Viele Zellen erzeugten eine Spitzenspannung von etwa 80 Millivolt, laut Ergebnissen, die kürzlich in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht wurden. Die Forscher behaupten, dies sei die höchste Leistungsdichte aller Glucose-Brennstoffzellen-Designs.
Glukose-Brennstoffzellen können nützlich werden, um implantierbare Geräte mit einem im Körper leicht verfügbaren Brennstoff anzutreiben.
Das MIT-Team hat "einen neuen Weg zu Miniaturstromquellen für implantierte Sensoren und vielleicht andere Funktionen eröffnet", Truls Norby, Professor für Chemie an der Universität Oslo in Norwegen, der nicht zu der Arbeit beigetragen hat, sagte in einer Pressemitteilung. "Die verwendeten Keramiken sind ungiftig, billig und nicht im Geringsten inert, sowohl gegenüber den Bedingungen im Körper als auch gegenüber den Bedingungen der Sterilisation vor der Implantation. Das bisherige Konzept und die Demonstration sind in der Tat vielversprechend."
Simons sagte, dass die neuen Brennstoffzellen in Zukunft ganz neue Geräteklassen ermöglichen könnten. "Da unsere Brennstoffzelle so klein ist, kann man sich implantierbare Geräte vorstellen, die nur wenige Mikrometer groß sind", fügte er hinzu. "Was wäre, wenn wir jetzt einzelne Zellen mit implantierbaren Geräten ansprechen könnten?"
