موارد مهم
- محققان MIT یک سلول نیرو جدید ساخته اند که با استفاده از گلوکز بدن شما کار می کند.
- این سلول ها می توانند دستگاه های پزشکی را تامین کنند و به افرادی که ابزارهای الکترونیکی را برای راحتی در بدن خود کاشته می کنند، کمک کنند.
- دستگاه های قابل کاشت باید تا حد امکان کوچک باشند تا تأثیر آنها بر بیماران به حداقل برسد.
بدن شما می تواند منبع انرژی برای ابزارهای آینده باشد.
دانشمندان MIT یک سلول سوختی با انرژی گلوکز ساخته اند که می تواند به ایمپلنت ها و حسگرهای مینیاتوری کمک کند.اندازه این دستگاه حدود 1/100 قطر موی انسان است و در هر سانتی متر مربع حدود 43 میکرووات برق تولید می کند. سلولهای سوختی می‌توانند در پزشکی و تعداد کم اما رو به رشد افرادی که ابزارهای الکترونیکی را برای راحتی در بدن خود کاشت می‌کنند، مفید باشند.
فیلیپ سیمونز، که این طرح را به عنوان بخشی از دکترای خود توسعه داد، "پیل های سوختی گلوکز می تواند برای تامین انرژی دستگاه های قابل کاشت با استفاده از سوختی که به راحتی در بدن وجود دارد مفید باشد." پایان نامه، در یک مصاحبه ایمیلی به Lifewire گفت. به عنوان مثال، ما تصور می کنیم که از سلول سوختی گلوکز خود برای تامین انرژی حسگرهای بسیار کوچک که عملکردهای بدن را اندازه گیری می کنند، استفاده کنیم. به نظارت بر گلوکز برای بیماران دیابتی، نظارت بر شرایط قلبی، یا ردیابی نشانگرهای زیستی که تکامل تومور را شناسایی می کنند، فکر کنید."
کوچک اما قدرتمند
سیمونز گفت:بزرگترین چالش در طراحی پیل سوختی جدید ارائه طرحی بود که به اندازه کافی کوچک بود. او افزود که دستگاه‌های کاشتنی باید تا حد امکان کوچک باشند تا تأثیر آنها بر بیماران به حداقل برسد.
"در حال حاضر، باتری ها از نظر کوچک شدن بسیار محدود هستند: اگر باتری را کوچکتر کنید، میزان انرژی که می تواند تامین کند کاهش می یابد." ما نشان داده‌ایم که با دستگاهی که 100 برابر نازک‌تر از موی انسان است، می‌توانیم انرژی لازم برای تامین انرژی حسگرهای مینیاتوری را فراهم کنیم.»
با توجه به اینکه سلول سوختی ما چقدر کوچک است، می توان دستگاه های کاشتنی را تصور کرد که تنها چند میکرومتر بزرگ هستند.
سیمونز و همکارانش مجبور شدند دستگاه جدید را قادر به تولید الکتریسیته و به اندازه کافی سخت بسازند که تا دمای 600 درجه سانتیگراد را تحمل کند. اگر در ایمپلنت پزشکی استفاده شود، پیل سوختی باید فرآیند استریلیزاسیون در دمای بالا را طی کند.
برای یافتن ماده ای که بتواند در برابر حرارت بالا مقاومت کند، محققان به سرامیک روی آوردند که خواص الکتروشیمیایی خود را حتی در دماهای بالا حفظ می کند. محققان پیش‌بینی می‌کنند که این طرح جدید می‌تواند به صورت لایه‌ها یا پوشش‌های بسیار نازک ساخته شود و در اطراف ایمپلنت‌ها پیچیده شود تا با استفاده از ذخایر گلوکز فراوان بدن، به طور غیرفعال برق الکترونیک را تامین کند.
ایده پیل سوختی جدید در سال 2016 زمانی مطرح شد که جنیفر ال ام راپ، ناظر پایان نامه سیمونز و استاد MIT، متخصص در سرامیک و دستگاه های الکتروشیمیایی، در دوران بارداری خود برای آزمایش گلوکز رفت..
در مطب دکتر، من یک الکتروشیمیدان بسیار حوصله داشتم و به این فکر می‌کردم که با شکر و الکتروشیمی چه کاری می‌توان انجام داد. "سپس متوجه شدم که داشتن یک دستگاه حالت جامد با انرژی گلوکز خوب است. و من و فیلیپ با قهوه ملاقات کردیم و اولین نقاشی ها را روی یک دستمال کاغذی نوشتیم."
پیل های سوختی گلوکز برای اولین بار در دهه 1960 معرفی شدند، اما مدل های اولیه بر اساس پلیمرهای نرم بودند. این منابع اولیه سوخت با باتری‌های لیتیوم یدید جایگزین شدند.
"سیمونز گفت: "تا به امروز، باتری ها معمولا برای تامین انرژی دستگاه های قابل کاشت مانند ضربان ساز قلب استفاده می شوند." با این حال، انرژی این باتری ها در نهایت تمام می شود و این بدان معناست که یک ضربان ساز باید به طور مرتب تعویض شود.این در واقع منبع بزرگی از عوارض است."
آینده ممکن است کوچک و قابل کاشت باشد
در جستجوی محلول پیل سوختی که بتواند برای مدت نامحدودی در داخل بدن دوام بیاورد، تیم یک الکترولیت را با یک آند و کاتد ساخته شده از پلاتین، ماده پایداری که به آسانی با گلوکز واکنش می دهد، ساندویچ کردند.
نوع مواد موجود در پیل سوختی گلوکز جدید، انعطاف پذیری را از نظر محل کاشت آن در بدن امکان پذیر می کند. سیمونز گفت: «برای مثال، می‌تواند در برابر محیط خورنده دستگاه گوارش مقاومت کند، که می‌تواند حسگرهای جدیدی را قادر به نظارت بر بیماری‌های مزمن مانند سندرم روده تحریک‌پذیر کند.»
محققان سلول ها را روی ویفرهای سیلیکونی قرار دادند و نشان دادند که این دستگاه ها را می توان با یک ماده نیمه هادی مشترک جفت کرد. آنها سپس جریان تولید شده توسط هر سلول را در حالی که محلول گلوکز را روی هر ویفر در یک ایستگاه آزمایشی سفارشی جاری می کردند، اندازه گیری کردند.
بر اساس نتایج منتشر شده در مقاله اخیر در مجله Advanced Materials، بسیاری از سلول‌ها حداکثر ولتاژی حدود 80 میلی ولت تولید می‌کنند. محققان ادعا می کنند که این بالاترین چگالی توان در بین هر طرح پیل سوختی گلوکزی است.
سلول های سوختی گلوکز می توانند برای تامین انرژی دستگاه های قابل کاشت با استفاده از سوختی که به راحتی در بدن وجود دارد مفید باشند.
ترولز نوربی، استاد شیمی در دانشگاه اسلو در نروژ، که در این کار مشارکتی نداشت، تیم MIT "مسیری جدیدی را برای منابع انرژی کوچک برای حسگرهای کاشته شده و شاید عملکردهای دیگر باز کرده است." در یک بیانیه خبری گفت. "سرامیک های مورد استفاده غیر سمی، ارزان و بی اثر هستند، هم نسبت به شرایط بدن و هم برای شرایط عقیم سازی قبل از کاشت. مفهوم و نمایش تا کنون واقعا امیدوار کننده است."
سیمونز گفت که سلول های سوختی جدید می توانند کلاس های کاملاً جدیدی از دستگاه ها را در آینده فعال کنند. او افزود: «با توجه به کوچک بودن پیل سوختی ما، می‌توان دستگاه‌های کاشتنی را تصور کرد که تنها چند میکرومتر بزرگ هستند». "اگر اکنون می‌توانیم سلولهای فردی را با دستگاه‌های قابل کاشت بررسی کنیم، چه می‌شد؟"
