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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

发布时间:2022-05-30 19:40:00 来源:米乐体育中心

  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,葡萄糖可认为将来的医学植入物供给燃料吗?MIT 和慕尼黑工业大学的工程师认为答案是必定的。葡萄糖

  该设备体积小于其他研讨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发生大约 43 微瓦特电流,完成了迄今为止环境条件下一切葡萄糖燃料电池所能发生的最高功率密度。

  新的葡萄糖燃料电池具有很强的耐受力,可以接受最高 600 摄氏度的温度。假如集成到医学植入物中,该燃料电池可以在一切植入式设备所需的高温灭菌进程坚持安稳。设备的中心由陶瓷制成,这种资料即便在高温文微型氧化皮下也能坚持本身电化学特点。

  研讨者想象,新规划可以被制成超薄薄膜或涂料,包裹在植入物四周,并运用人体丰厚的葡萄糖供应为电子设备供电。

  值得一提的是,这项作业是 Philipp Simons 博士论文的一部分。他标明,「葡萄糖在人体中无处不在,咱们的主意是收成这一现成的动力并运用它为植入式设备供电。这项作业展示了一种新的葡萄糖燃料电池的电化学。」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,咱们可以不再运用占有植入物 90% 体积的一般电池,而运用薄膜制作一个不占体积的电源设备。

  新的燃料电池的创意来自 2016 年,其时 Rupp 专心于陶瓷和电化学设备的研讨,她想在妊娠完毕之前做一个惯例的葡萄糖查看。

  Rupp 回想道,「在医师的工作室里,我这个无聊的电化学家想的是咱们可以经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 会面并在餐巾纸上写出了第一张图纸。

  他们并不是首个想象制作葡萄糖燃料电池的团队,这种主意开始在 1960 时代提出,并展示出了将葡萄糖化学能量转化为电能的潜力。但其时,葡萄糖燃料电池根据软聚合物,并很快被碘化锂电池比下来,后者成为了医学植入物的规范电源,尤其是心脏起搏器。开展进程

  可是,因为电池的规划需求物理容量来存储能量,因而它们受限于本身可以被制作成多大的尺度。

  Rupp 标明,「燃料电池直接转化能量而不必将能量存储在设备中,所以彻底不必忧虑在电池中存储能量所需求的体积。」

  近年来,科学家现已对葡萄糖燃料电池(由人体丰厚的葡萄糖供给燃料)是潜力较小电源这种观念进行了从头审视。

  一个葡萄糖燃料电池的根本规划包括有三层:顶部阳极、中心电解质和底部阴极。阳极与葡萄糖在体液中发生反响,将糖转化为葡萄糖酸。这一电化学转化释放了一对质子和一对电子。中心电解质的作用是将质子与电子分脱离,在燃料电池传导质子,并与空气结合构成水分子(一种与体液一同流走的无害副产品)。一起,被别离后的电子流向外电路,并在其间用来为电子设备供电。

  研讨者经过改动电解质层(一般由聚合物制成)在现有资料和规划上改善。可是,聚合物特点以及它们传导质子的才能在高温下简单下降,而且当缩小至纳米维度时难以保持,也很难灭菌。因而,研讨者考虑到了陶瓷,作为一种可以天然传导质子的耐热资料,它可以被制作成葡萄糖燃料电池的电解质。

  Rupp 解说称,当想到用陶瓷制作这类葡萄糖燃料电池时,它们有许多优势,比方长期安稳性、较小的扩展性并简单与硅芯片集成。总归,陶瓷资料坚固并稳健。

  该葡萄糖燃料电池的电解质由二氧化铈制成,这种陶瓷资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,「癌症研讨界正积极地研讨二氧化铈,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。」

  研讨者将电解质与由铂制成的阳极和阴极夹在中心,这儿的铂是一种易于葡萄糖发生反响的安稳资料。他们在一个芯片上制作了 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,标明这些设备可以与常见的半导体资料匹配。最终丈量了当葡萄糖溶液在定制测验站中流经每个硅晶片时,每个电池发生的电流。

  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。其间,a 为根据多孔 Pt 阳极 / 二氧化铈电解质 / 密布 Pt 阴极的独立式膜的陶瓷葡萄糖燃料电池的结构;b 为包括 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画。研讨者发现,许多电池发生的峰值电压约为 80 毫伏。考虑到每个电池的尺度很小,这一输出是当时一切现有葡萄糖燃料电池规划中的最高功率密度。「令人兴奋的是,咱们可以取得足认为植入式设备供电的功率和电流,」Simmon 提到。

  Rupp 更是标明,「这是第一次将电陶瓷资料中的质子传导用于葡萄糖能量转化,界说了一种新的电化学。该研讨将资料用例将氢燃料扩展到新的葡萄糖转化形式。」

  挪威奥斯陆大学化学教授 Truls Norby 点评称,「研讨人员为植入传感器和其他相似设备运用的微型电源拓荒了一条新的路途。所运用的陶瓷无毒、廉价,对体内环境和植入前的消毒环境都呈慵懒。到目前为止,这一概念和演示的确很有出路。」

  原标题:《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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