ایمپلنت‌های پزشکی با گلوکز خون شارژ می شوند

شارژ ایمپلنت‌های پزشکی کار مشکلی است. در حالی که استفاده از منابع سوخت بدن می‌تواند به حفظ آنها برای طولانی مدت کمک کند. طراحی جدید یک پیل سوختی(fuel cell) کوچک که گلوکز را به الکتریسیته تبدیل می‌کند می‌تواند انرژی ایمپلنت‌ها را به شکل کارآمدتری نسبت به هر طرح دیگری که تاکنون وجود داشته، تامین کند.

کد خبر: ۱۲۸۳۶۴۸

تاریخ: ۲۴ ارديبهشت ۱۴۰۱ - ۱۷:۰۹

به گزارش خبرگزاری دانا و به نقل از نیواطلس، ایمپلنت‌هایی مانند ضربان‌سازها ممکن است نیاز به چندین دهه کار در بدن داشته باشند، بنابراین نیاز به منابع ثابت برق دارند و کابل‌ها را نمی‌توان از روی پوست بیمار عبور داد. باتری‌ها ممکن است راه حل واضحی باشند، اما تعویض آنها نیاز به جراحی دارد و حتی با وجود پیشرفت‌های جدید برای شارژ بی‌سیم باتری از خارج از بدن، این باتری‌ها هنوز حجم زیادی به دستگاه‌هایی که باید تا حد امکان کوچک و سبک باشند، اضافه می‌کنند.

در حالت ایده‌آل، ایمپلنت‌ها باید مجهز به دستگاه‌هایی باشند که می‌توانند نیروی مورد نیاز خود را تولید کنند و چه منبع انرژی بهتر از منابع غنی مورد استفاده سلول‌های ما؟ پیل‌های سوختی گلوکز، که انرژی شیمیایی قند خون را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند، دهه‌هاست در حال توسعه هستند، اما هنوز چند مشکل وجود دارد. اکنون، محققان موسسه فناوری ماساچوست(MIT) و دانشگاه فنی مونیخ دستگاه جدیدی ایجاد کرده‌اند که ممکن است راه حل‌هایی در بر داشته باشد.

این پیل سوختی جدید با ساختاری تقریباً مشابه سلول‌های سوختی موجود، از یک آند، یک الکترولیت و یک کاتد تشکیل شده است. آند با گلوکز موجود در مایعات بدن واکنش می‌دهد و اسید گلوکونیک(Glucuronic acid) تولید می‌کند در این فرآیند دو پروتون و دو الکترون آزاد می‌شود. الکترولیت پروتون‌ها را به سرعت دور می‌کند و آنها با هوا ترکیب می‌شوند و به مولکول‌های بی‌ضرر آب تبدیل می‌شوند. در همین حال، الکترون‌ها در یک مدار جمع‌آوری می‌شوند و سپس می‌توان از آنها برای تامین انرژی یک دستگاه کاشته شده در بدن استفاده کرد.

اغلب اوقات، الکترولیت‌های موجود در پیل‌های سوختی گلوکز، از پلیمر ساخته شده‌اند، اما محققان برای دستگاه خود از ماده جدیدی به نام "سریا"(ceria) استفاده کردند. سریا یک سرامیک قوی و پایدار است که پروتون‌ها را به خوبی هدایت می‌کند و برای انجام کاری مشابه در پیل‌های سوختی هیدروژنی استفاده شده است. الکترودها از پلاتین ساخته شده بودند که به شدت با گلوکز واکنش نشان می‌دهد.

پیل‌هایی که در نهایت ساخته شدند، کوچک بودند و حدود ۳۰۰ میکرومتر عرض و فقط ۴۰۰ نانومتر ضخامت داشتند. برای آزمایش آنها، محققان ۱۵۰ عدد از پیل‌ها را روی ویفرهای سیلیکونی(زیرلایه) قرار دادند، محلول گلوکز را روی آنها ریخته و خروجی الکتریکی آنها را اندازه گرفتند.

ولتاژ حداکثری پیل‌های سوختی حدود ۸۰ میلی‌ولت بود که معادل حدود ۴۳ میکرووات بر سانتی‌متر مربع است. به گفته‌ی محققان، این بالاترین چگالی توان در بین پیل‌های سوختی گلوکزی است که تاکنون ساخته شده و برای تامین انرژی ایمپلنت‌ها کافی است.

مواد سرامیکی علاوه بر خروجی بالایی که دارند، به ماندگاری بیشتر و مقاومت بهتر ایمپلنت‌ها در برابر دمای بالای استریل شدن قبل از کاشت کمک می‌کنند. محققان می‌گویند که این پیل‌های سوختی را می‌توان به‌صورت لایه‌های نازکی درآورد که به دور ایمپلنت‌ها می‌پیچد تا انرژی آنها را تامین کند.

این تحقیق در مجله "Advanced Materials" منتشر شده است.

انتهای پیام