Belangrijkste afhaalrestaurants
- MIT-onderzoekers hebben een nieuwe krachtcel ontwikkeld die werkt met de glucose van je lichaam.
- De cellen kunnen medische apparaten van stroom voorzien en mensen helpen die voor het gemak elektronische gadgets in hun lichaam implanteren.
- Implanteerbare apparaten moeten zo klein mogelijk zijn om hun impact op patiënten te minimaliseren.
Je eigen lichaam kan een krachtbron zijn voor toekomstige gadgets.
MIT-wetenschappers hebben een door glucose aangedreven brandstofcel ontwikkeld die miniatuurimplantaten en sensoren kan voeden. Het apparaat meet ongeveer 1/100 van de diameter van een mensenhaar en genereert ongeveer 43 microwatt per vierkante centimeter elektriciteit. De brandstofcellen kunnen nuttig zijn in de geneeskunde en het kleine maar groeiende aantal mensen dat voor het gemak elektronische gadgets in hun lichaam implanteert.
"Glucosebrandstofcellen kunnen nuttig worden om implanteerbare apparaten van stroom te voorzien met behulp van een brandstof die direct in het lichaam beschikbaar is", Philipp Simons, die het ontwerp ontwikkelde als onderdeel van zijn Ph. D. proefschrift, vertelde Lifewire in een e-mailinterview. "We stellen ons bijvoorbeeld voor om onze glucosebrandstofcel te gebruiken om zeer geminiaturiseerde sensoren aan te drijven die lichaamsfuncties meten. Denk aan glucosemonitoring voor diabetespatiënten, monitoring van hartaandoeningen of het volgen van biomarkers die de evolutie van een tumor identificeren."
Klein maar machtig
De grootste uitdaging bij het ontwerpen van de nieuwe brandstofcel was het bedenken van een ontwerp dat klein genoeg was, zei Simons. Hij voegde eraan toe dat implanteerbare apparaten zo klein mogelijk moeten zijn om hun impact op patiënten te minimaliseren.
"Momenteel zijn batterijen zeer beperkt in hoe klein ze kunnen worden: als je een batterij kleiner maakt, vermindert het de hoeveelheid energie die het kan leveren," zei Simons. "We hebben aangetoond dat we met een apparaat dat 100 keer dunner is dan een mensenhaar, energie kunnen leveren die voldoende zou zijn om miniatuursensoren van stroom te voorzien."
Gezien hoe klein onze brandstofcel is, kun je je implanteerbare apparaten voorstellen die slechts enkele micrometers groot zijn.
Simons en zijn medewerkers moesten het nieuwe apparaat in staat stellen om elektriciteit op te wekken en sterk genoeg zijn om temperaturen tot 600 graden Celsius te weerstaan. Indien gebruikt in een medisch implantaat, zou de brandstofcel een sterilisatieproces bij hoge temperatuur moeten doorlopen.
Om een materiaal te vinden dat bestand is tegen de hoge hitte, wendden de onderzoekers zich tot keramiek, dat zijn elektrochemische eigenschappen zelfs bij hoge temperaturen behoudt. De onderzoekers stellen zich voor dat het nieuwe ontwerp kan worden gemaakt in ultradunne films of coatings en rond implantaten kan worden gewikkeld om passief elektronica van stroom te voorzien, met behulp van de overvloedige glucosetoevoer van het lichaam.
Het idee voor de nieuwe brandstofcel kwam in 2016 toen Jennifer L. M. Rupp, de scriptiebegeleider van Simons en een MIT-professor, gespecialiseerd in keramiek en elektrochemische apparaten, tijdens haar zwangerschap een glucosetest ging doen.
"In het kantoor van de dokter was ik een erg verveelde elektrochemicus, die dacht wat je kon doen met suiker en elektrochemie", zei Rupp in een persbericht. "Toen realiseerde ik me dat het goed zou zijn om een door glucose aangedreven solid-state apparaat te hebben. Philipp en ik ontmoetten elkaar tijdens de koffie en schreven de eerste tekeningen op een servet."
Glucosebrandstofcellen werden voor het eerst geïntroduceerd in de jaren zestig, maar de vroege modellen waren gebaseerd op zachte polymeren. Deze vroege brandstofbronnen werden vervangen door lithiumjodidebatterijen.
"Tot op heden worden batterijen meestal gebruikt om implanteerbare apparaten zoals pacemakers van stroom te voorzien," zei Simons. "Deze batterijen zullen uiteindelijk echter zonder energie komen te zitten, wat betekent dat een pacemaker regelmatig moet worden vervangen. Dit is eigenlijk een enorme bron van complicaties."
De toekomst kan klein en implanteerbaar zijn
In de zoektocht naar een brandstofceloplossing die voor onbepaalde tijd in het lichaam kan blijven zitten, heeft het team een elektrolyt ingeklemd met een anode en kathode gemaakt van platina, een stabiel materiaal dat gemakkelijk reageert met glucose.
Het type materiaal in de nieuwe glucosebrandstofcel zorgt voor flexibiliteit in termen van waar het in het lichaam kan worden geïmplanteerd. "Het is bijvoorbeeld bestand tegen de corrosieve omgeving van het spijsverteringsstelsel, waardoor nieuwe sensoren kunnen worden gebruikt voor het bewaken van chronische ziekten zoals het prikkelbare darm syndroom," zei Simons.
De onderzoekers plaatsten de cellen op siliciumwafels, wat aantoont dat de apparaten kunnen worden gekoppeld aan een gewoon halfgeleidermateriaal. Vervolgens maten ze de stroom die door elke cel werd geproduceerd terwijl ze een oplossing van glucose over elke wafel stroomden in een op maat gemaakt teststation.
Veel cellen produceerden een piekspanning van ongeveer 80 millivolt, volgens resultaten gepubliceerd in een recent artikel in het tijdschrift Advanced Materials. De onderzoekers beweren dat dit de hoogste vermogensdichtheid is van elk ontwerp van een glucose-brandstofcel.
Glucosebrandstofcellen kunnen nuttig worden om implanteerbare apparaten van stroom te voorzien met behulp van een brandstof die direct in het lichaam beschikbaar is.
Het MIT-team heeft "een nieuwe route geopend naar miniatuurstroombronnen voor geïmplanteerde sensoren en misschien andere functies", Truls Norby, een professor in de chemie aan de Universiteit van Oslo in Noorwegen, die niet heeft bijgedragen aan het werk, zei in een persbericht. "De gebruikte keramiek is niet-toxisch, goedkoop en niet de minste inert, zowel voor de omstandigheden in het lichaam als voor de omstandigheden van sterilisatie voorafgaand aan implantatie. Het concept en de demonstratie tot nu toe zijn inderdaad veelbelovend."
Simons zei dat de nieuwe brandstofcellen in de toekomst volledig nieuwe klassen apparaten mogelijk zouden kunnen maken. "Gezien hoe klein onze brandstofcel is, kun je je implanteerbare apparaten voorstellen die slechts een paar micrometer groot zijn", voegde hij eraan toe. "Wat als we nu individuele cellen zouden kunnen adresseren met implanteerbare apparaten?"
