Инженеры из Массачусетского технологического института разработали топливный элемент, который работает на той же основе, что клетки человеческого тела - глюкозе
Подобное топливо могло бы использоваться, чтобы запускать работу мозговых имплантатов, способных помочь парализованным пациентам двигать руками и ногами.
Топливный элемент отделяет электроны от молекул глюкозы, создавая небольшой электрический поток. Исследователи, во главе с Рахулом Сарпешкаром, профессором электротехники и информатики в МТИ, изготовили топливный элемент на кремниевом чипе, способный взаимодействовать с другими процессами, необходимыми для нормального функционирования имплантатов.
Идея топливного элемента на основе глюкозы не нова: в 1970-х годах ученые доказали, что можно запустить ритмоводитель сердца с топливным элементом на основе глюкозы, но от этой идеи отказались в пользу литий-ионных аккумуляторов, которые могли обеспечить большую мощность. Топливные элементы на основе глюкозы также использовали ферменты, которые, как оказалось, были непрактичны для долгосрочного внедрения в тело, так как они через какое-то время прекращали эффективно функционировать.
Инновацией разработчиков из МТИ является то, что устройство изготовлено из кремния, с использованием той же технологии, что и полупроводниковые электронные чипы. Топливный элемент не содержит биологических компонентов: устройство состоит из платинового катализатора, который отделяет электроны от глюкозы, подражая работе клеточных ферментов, которые разрушают глюкозу, чтобы произвести энергию. Доказано, что платина имеет долгосрочную биологическую совместимость с телом. Топливный элемент может преобразовать до сотни микроватт - достаточно, чтобы привести в действие нейроимплантат. С использованием биотоплива медицинские имплантаты станут более долговечными и безопасными.
«Очевидно, что пройдет еще несколько лет, прежде чем люди с повреждениями спинного мозга будут получать такие вживляемые системы в контексте стандартного медицинского обслуживания. Но основой этих устройств будет топливный элемент на глюкозе», - говорит Бенджамин Рапопорт, бывший аспирант в лаборатории Сарпешкара и ведущий специалист в новом исследовании МТИ.
Рапопорт вычислил, что в теории, топливный элемент может получить весь необходимый сахар от спинномозговой жидкости. В ней немного клеток, таким образом, очень маловероятно, что имплантат, расположенный там, вызовет иммунную реакцию. В спинномозговой жидкости содержится также существенное количество глюкозы, которая не используется телом. Так как топливным элементом будет использоваться только небольшая часть доступной глюкозы, воздействие на функцию мозга не будет существенным.
Карим Овайсс, адъюнкт-профессор электротехники, информатики и нейробиологии в Университете Мичигана, говорит, что эта работа – первый существенный шаг к развитию вживляемых медицинских устройств, которые не требуют внешних источников энергии.
«Это - доказательство того, что такие устройства могут произвести достаточно энергии, чтобы выполнять все необходимые функции», - говорит Овайсс, добавляя, что следующий шаг - продемонстрировать, что это может работать в организме живого животного.
Биология может дружить с микроэлектроникой
Группа Сарпешкара - лидер в области разработки электроники «ультранизкой мощности» для кохлеарных и мозговых имплантатов. «Когда топливный элемент на основе глюкозы объединяется с такой электроникой низкой мощности в одном устройстве, оно может самозапускаться, - говорит Сарпешкар, автор книги «Биоэлектроника ультранизкой мощности». В этой книге описывается, как соединение источника «ультранизкой мощности» и энергонакопительного устройства может использоваться для автономных медицинских и других приборов.
Группа Сарпешкара работала над всеми аспектами вживляемых майнд-машин и нейропротезирования с помощью беспроводных технологий.
В проектировании топливного элемента на основе глюкозы участвовал Якуб Кедзирский из Лаборатории Линкольна МТИ. «Это сотрудничество с Лабораторией Линкольна помогло достичь моей долгосрочной цели - воплотить запускаемую глюкозой биоэлектронику в действительность», - говорит Сарпешкар. Хотя он видит возможность широкого применения технологии только через много лет.
Комментарии (0)