耐600度高温 MIT用陶瓷制成葡萄糖燃料电池 为身体植入设备供电
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耐600度高温 MIT用陶瓷制成葡萄糖燃料电池 为身体植入设备供电

对于这项研究,研究者表示:「我们定义了一种新的电化学」。

葡萄糖是人体从所摄食物中吸收的糖分,它是供养人体每个细胞的燃料。那么问题来了,葡萄糖能够为将来的医学植入物提供燃料吗?MIT 和慕尼黑工业大学的工程师认为答案是肯定的。

葡萄糖

葡萄糖

近日,MIT 材料科学与工程系(DMSE)博士、Amgen 公司现运营经理 Philipp Simons 与其同事开发出了一种新型的葡萄糖燃料电池,可以直接将葡萄糖转换为电流。相关论文《A Ceramic-Electrolyte Glucose Fuel Cell for Implantable Electronics》在期刊 Advanced Materials 上发表。

该设备体积小于其他研究提出的葡萄糖燃料电池,仅 400 纳米厚,大约为人头发直径的 1/100。含糖(sugary)电源每平方厘米可以产生大约 43 微瓦特电流,实现了迄今为止环境条件下所有葡萄糖燃料电池所能产生的最高功率密度。

新的葡萄糖燃料电池具有很强的耐受力,能够承受最高 600 摄氏度的温度。如果集成到医学植入物中,该燃料电池可以在所有植入式设备所需的高温灭菌过程保持稳定。设备的核心由陶瓷制成,这种材料即使在高温和微型氧化皮下也能保持自身电化学属性。

研究者设想,新设计可以被制成超薄薄膜或涂料,包裹在植入物四周,并利用人体丰富的葡萄糖供应为电子设备供电。

值得一提的是,这项工作是 Philipp Simons 博士论文的一部分。他表示,「葡萄糖在人体中无处不在,我们的想法是收获这一现成的能源并使用它为植入式设备供电。这项工作展示了一种新的葡萄糖燃料电池的电化学。」

Philipp Simons

Philipp Simons

Simons 的论文导师、DMSE 客座教授兼慕尼黑工业大学固态电解质化学副教授 Jennifer L.M. Rupp 认为,我们可以不再使用占据植入物 90% 体积的普通电池,而利用薄膜制作一个不占体积的电源设备。

「硬」分离

新的燃料电池的灵感来自 2016 年,当时 Rupp 专注于陶瓷和电化学设备的研究,她想在妊娠结束之前做一个常规的葡萄糖检查。

Rupp 回忆道,「在医生的办公室里,我这个无聊的电化学家想的是我们可以通过糖和电化学做些什么。」然后她意识到制作一个葡萄糖供电的固态设备是一个好主意。之后她与 Philipp 碰面并在餐巾纸上写出了第一张图纸。

他们并不是首个设想制作葡萄糖燃料电池的团队,这种想法最初在 1960 年代提出,并展现出了将葡萄糖化学能量转换为电能的潜力。但当时,葡萄糖燃料电池基于软聚合物,并很快被碘化锂电池比下来,后者成为了医学植入物的标准电源,尤其是心脏起搏器。

发展历程

发展历程

但是,由于电池的设计需要物理容量来存储能量,因此它们受限于自身能够被制作成多大的尺寸。

Rupp 表示,「燃料电池直接转换能量而不用将能量存储在设备中,所以完全不用担心在电池中存储能量所需要的体积。」

近年来,科学家已经对葡萄糖燃料电池(由人体丰富的葡萄糖提供燃料)是潜力较小电源这种观点进行了重新审视。

一个葡萄糖燃料电池的基本设计包含有三层:顶部阳极、中间电解质和底部阴极。阳极与葡萄糖在体液中发生反应,将糖转化为葡萄糖酸。这一电化学转换释放了一对质子和一对电子。中间电解质的作用是将质子与电子分离开,在燃料电池传导质子,并与空气结合形成水分子(一种与体液一起流走的无害副产品)。同时,被分离后的电子流向外电路,并在其中用来为电子设备供电。

研究者通过改变电解质层(通常由聚合物制成)在现有材料和设计上改进。但是,聚合物属性以及它们传导质子的能力在高温下容易降低,并且当缩小至纳米维度时难以维持,也很难杀菌。因此,研究者考虑到了陶瓷,作为一种可以自然传导质子的耐热材料,它可以被制作成葡萄糖燃料电池的电解质。

Rupp 解释称,当想到用陶瓷制作这类葡萄糖燃料电池时,它们有很多优势,比如长时间稳定性、较小的扩展性并容易与硅芯片集成。总之,陶瓷材料坚硬并稳健。

峰值功率

该葡萄糖燃料电池的电解质由二氧化铈制成,这种陶瓷材料具有很高的离子电导性,机械强度也高,被广泛用作氢燃料电池的电解质。二氧化铈也被证明是生物相容的。

Simons 指出,「癌症研究界正积极地研究二氧化铈,它也与用于牙齿植入物的氧化锆相似,具有生物相容性和安全性。」

研究者将电解质与由铂制成的阳极和阴极夹在中间,这里的铂是一种易于葡萄糖发生反应的稳定材料。他们在一个芯片上制造了 150 个独立的葡萄糖燃料电池,每个电池约 400 纳米厚,300 微米宽(大致相当于 30 根人头发的宽度)。接着将电池固定在硅晶片上,表明这些设备可以与常见的半导体材料匹配。最后测量了当葡萄糖溶液在定制测试站中流经每个硅晶片时,每个电池产生的电流。

如下从左到右分别为葡萄糖燃料电池、芯片和单个设备的示意图。其中,a 为基于多孔 Pt 阳极 / 二氧化铈电解质 / 密集 Pt 阴极的独立式膜的陶瓷葡萄糖燃料电池的构造;b 为包含 30 个葡萄糖燃料电池设备的燃料电池芯片示意图;c 为单个独立式铈膜的光学显微镜图像。

研究者发现,很多电池产生的峰值电压约为 80 毫伏。考虑到每个电池的尺寸很小,这一输出是当前所有现有葡萄糖燃料电池设计中的最高功率密度。「令人兴奋的是,我们能够获得足以为植入式设备供电的功率和电流,」Simmon 说到。

Rupp 更是表示,「这是第一次将电陶瓷材料中的质子传导用于葡萄糖能量转换,定义了一种新的电化学。该研究将材料用例将氢燃料扩展到新的葡萄糖转换模式。」

挪威奥斯陆大学化学教授 Truls Norby 评价称,「研究人员为植入传感器和其他类似设备使用的微型电源开辟了一条新的道路。所使用的陶瓷无毒、便宜,对体内环境和植入前的消毒环境都呈惰性。到目前为止,这一概念和演示确实很有前途。」