科学家开发依靠血糖运行的微型高效燃料电池 为医疗植入物提供动力

2022年05月13日 15:31 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

为医疗植入物提供动力是很困难的,但利用人体自身的燃料来源可以使它们长期运行。一种新设计的微型燃料电池将葡萄糖转化为电能,为植入物供电,比迄今为止的任何其他设计都更有效。

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像心脏起搏器这样的植入物可能需要运行数十年,因此它们需要稳定的电力供应,而电缆不能仅仅通过病人的皮肤铺设。电池可能是明显的解决方案,但更换电池需要手术。即使有了体外无线充电的新进展,对于需要尽可能小而轻的设备来说,电池也会增加太多的体积。

理想情况下,植入物会被安装上可以自己发电的设备,还有什么比我们自己的细胞所使用的丰富的能源更好的呢?葡萄糖燃料电池,将血糖的化学能量转化为电能,已经发展了几十年,但它们仍然有一些问题需要解决。而现在,麻省理工学院和慕尼黑工业大学研究人员开发的一个新装置可能有一些答案。

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新燃料电池的结构与现有的燃料电池基本相同,由阳极、电解质和阴极组成。阳极与体液中的葡萄糖发生反应,产生葡萄糖酸,这一过程会释放出两个质子和两个电子。电解质带走质子,在那里它们与空气混合并变成无害的水分子。同时,电子被收集到一个电路中,在那里它们可以被用来为植入的设备供电。

大多数时候,葡萄糖燃料电池中的电解质是由聚合物制成的,但是对于他们的设备,研究人员使用了一种新材料--氧化铈,一种坚固、稳定的陶瓷,可以很好地传导质子,并且已经被用于氢燃料电池的相同工作。电极由铂金制成,它与葡萄糖发生强烈反应。

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最终的电池很小--大约300微米宽,仅400纳米厚。为了测试它们,研究人员在硅片上制造了150个电池,将葡萄糖溶液流过它们的顶部,并测量它们的电力输出。

这些燃料电池产生了大约80毫伏的峰值电压,这相当于每平方厘米约43微瓦。研究小组说,这是迄今为止制造的任何葡萄糖燃料电池中最高的功率密度,足以为植入式设备供电。

除了高输出,陶瓷材料还有助于它的寿命更长,并能承受植入前的高温消毒。研究人员说,这些燃料电池可以被制成薄膜涂层,包裹在植入物上为其供电。

该研究发表在《先进材料》杂志上。

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