超薄燃料电池使用人体自己的糖发电

如果您可以为自己的医疗设备供电怎么办?

葡萄糖是我们从我们吃的食物中吸收的糖。这是燃料为我们体内的每个细胞提供动力。葡萄糖也可以为明天的医疗植入物提供动力吗?

麻省理工学院和慕尼黑技术大学的工程师。他们设计了一种新型的葡萄糖燃料电池,将葡萄糖直接转化为电。该设备比其他提出的葡萄糖燃料电池小,仅测量400纳米厚,或大约1/100人的头发直径。含糖电源每平方厘米的电力产生约43微米的电力,在环境条件下达到迄今为止所有葡萄糖燃料电池的最高功率密度。

新设备还具有弹性,能够承受高达600摄氏度的温度。如果将燃料电池纳入医疗植入物中,则可以通过所有可植入设备所需的高温灭菌过程保持稳定。

新设备的核心是由陶瓷制成的,该材料即使在高温和微型尺度下也保留其电化学性能。研究人员设想,可以使用人体丰富的葡萄糖供应来制作新设计或涂料,并包裹在植入物周围以被动电力电子产品。

“Glucose is everywhere in the body, and the idea is to harvest this readily available energy and use it to power implantable devices,” says Philipp Simons, who developed the design as part of his PhD thesis in MIT’s Department of Materials Science and Engineering (DMSE). “In our work we show a new glucose fuel cell electrochemistry.”

“Instead of using a battery, which can take up 90 percent of an implant’s volume, you could make a device with a thin film, and you’d have a power source with no volumetric footprint,” says Jennifer L.M. Rupp, Simons’ thesis supervisor and a DMSE visiting professor, who is also an associate professor of solid-state electrolyte chemistry at Technical University Munich in Germany.

Simons和他的同事今天在日记中详细介绍了他们的设计高级材料。该研究的合着者包括Rupp,Steven Schenk,Marco Gysel和Lorenz Olbrich。

“硬”分离

新燃料电池的灵感来自2016年,当时专门从事陶瓷和电化学设备的鲁普(Rupp)在怀孕结束时进行了常规的葡萄糖测试。

鲁普回忆说:“在医生的办公室里,我是一位非常无聊的电化学家,想着您可以用糖和电化学做什么。”“然后我意识到,拥有葡萄糖供电的固态装置将是一件好事。菲利普和我在咖啡上见面,并在餐巾纸上写了第一张图纸。”

该团队并不是第一个构想葡萄糖燃料电池的团队,该葡萄糖燃料电池最初是在1960年代引入的,并且显示出将葡萄糖的化学能转化为电能的潜力。但是当时的葡萄糖燃料电池是基于软聚合物的,并迅速被锂碘电池黯然失色,锂碘电池将成为医疗植入物的标准动力来源,最著名的是心脏起搏器。

但是,由于设计需要存储能量的物理能力,因此电池可以限制如何制造。

Rupp说:“燃料电池直接转换能量而不是将其存储在设备中,因此您不需要将能量存储在电池中所需的所有音量。”

近年来,科学家们再次将葡萄糖燃料电池视为潜在的较小功率来源,这是人体丰富的葡萄糖直接推动的。

葡萄糖燃料电池的基本设计包括三层:顶部阳极,中间电解质和底部阴极。阳极在体液中与葡萄糖反应,将糖转化为葡萄糖酸。这种电化学转化释放了一对质子和一对电子。中部电解质作用于将质子与电子分开,通过燃料电池进行质子,并与空气结合形成水分子 - 一种无害的副产品,随着人体的液体流出。同时,孤立的电子流到外部电路,可以在其中使用它们为电子设备供电。

该团队希望通过修改电解质层来改善现有材料和设计,这通常是由聚合物制成的。但是,聚合物的性能以及它们的传导质子的能力,在高温下很容易降解,在缩放到纳米尺寸时很难保留,并且很难消毒。研究人员想知道,是否可以将陶瓷(可以自然传导质子的耐热材料)制成葡萄糖燃料电池的电解质。

Rupp指出:“当您想到这种葡萄糖燃料电池的陶瓷时,它们具有长期稳定性,较小的可扩展性和硅芯片整合的优势。”“他们很努力。”

峰值功率

研究人员设计了一个用陶瓷制成的电解质,它是一种具有高离子电导率的陶瓷材料,在机械上是稳健的,因此被广泛用作氢燃料电池中的电解质。它也已显示为生物相容性。

西蒙斯指出:“陶瓷在癌症研究界进行了积极研究。”“它也类似于用于牙齿植入物的氧化锆,并且具有生物相容性和安全。”

该团队用铂金制成的阳极和阴极将电解质夹住,铂金是一种稳定的材料,很容易与葡萄糖反应。他们在芯片上制造了150个单独的葡萄糖燃料电池,每个葡萄糖燃料电池薄,大约400纳米薄,约300微米宽(大约30个人毛的宽度)。他们将细胞对硅晶片的图案进行了图案,表明这些设备可以与常见的半导体材料配对。然后,他们测量了每个细胞产生的电流,因为他们将葡萄糖溶液流过一个定制测试站的每个晶圆溶液。

他们发现许多细胞产生了约80毫伏的峰值电压。考虑到每个单元的尺寸很小,该输出是任何现有葡萄糖燃料电池设计的最高功率密度。

西蒙斯说:“令人兴奋的是,我们能够汲取足以为植入设备供电的电源和电流。”

Rupp说:“这是电陶瓷材料中的质子传导首次用于葡萄糖到功率转化,从而定义了一种新型的电化学类型。”“它将材料用例从氢燃料电池扩展到新的,令人兴奋的葡萄糖转化模式。”

研究人员“已经为植入传感器和其他功能开辟了一条新的途径,为植入传感器和其他功能开辟了新的途径,”挪威奥斯陆大学化学教授Truls Norby说,他没有为这项工作做出贡献。“所使用的陶瓷是无毒的,便宜的,尤其是植入之前的身体状况和灭菌状况。到目前为止,概念和示威确实很有希望。”

经许可重新出版麻省理工学院新闻。阅读来源文章

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