Bomuldsbaseret hybrid biobrændstofcelle kan drive implanterbart medicinsk udstyr

En glukosedrevet biobrændselscelle, der bruger elektroder fremstillet af bomuldsfibre, kan en dag hjælpe med at drive implanterbart medicinsk udstyr som f.eks. Pacemakere og sensorer. Den nye brændselscelle, som giver dobbelt så meget strøm som konventionelle biobrændstofceller, kunne parres med batterier eller superkapacitorer for at tilvejebringe en hybrid strømkilde til det medicinske udstyr.

Forskere ved Georgia Institute of Technology og Korea University brugte guldnanopartikler samlet på bomulden til at skabe elektroder med høj ledningsevne, der hjalp med at forbedre brændselscellens effektivitet. Det gav dem mulighed for at løse en af ​​de største udfordringer, der begrænsede biobrændselscellers ydeevne - at forbinde enzymet, der bruges til at oxidere glucose med en elektrode.

En lag-for-lag-samlingsteknik, der blev brugt til at fremstille guldelektroderne-som tilvejebringer både den elektrokatalytiske katode og det ledende substrat for anoden-bidrog til at øge effektkapaciteten til så meget som 3,7 milliwatt pr. Kvadratcentimeter. Resultaterne af forskningen blev rapporteret 26. oktober i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Vi kunne bruge denne enhed som en kontinuerlig strømkilde til at omdanne kemisk energi fra glukose i kroppen til elektrisk energi, "sagde Seung Woo Lee, en adjunkt i Georgia Tech's Woodruff School of Mechanical Engineering. "Lag-for-lag-deponeringsteknikken styrer præcist aflejring af både guld-nanopartiklen og enzymet, dramatisk øget effekttætheden af ​​denne brændselscelle. "

Fremstilling af elektroderne begynder med porøse bomuldsfibre sammensat af flere hydrofile mikrofibriller - cellulosefibre indeholdende hydroxylgrupper. Guld -nanopartikler med en diameter på cirka otte nanometer samles derefter på fibrene ved hjælp af organiske linkermaterialer.

For at oprette anoden til oxidation af glukosen, forskerne anvender glucoseoxidaseenzym i lag skiftevis med et aminfunktionaliseret lille molekyle kendt som TREN. Katoden, hvor iltreduktionsreaktionen finder sted, brugte de guldbelagte elektroder, som har elektrokatalytiske evner.

"Vi kontrollerer præcist belastningen af ​​enzymet, "Sagde Lee." Vi producerer et meget tyndt lag, så ladningstransporten mellem det ledende substrat og enzymet forbedres. Vi har lavet en meget tæt forbindelse mellem materialerne, så transporten af ​​elektroner er lettere. "

Bomuldets porøsitet tillod en stigning i antallet af guldlag i forhold til en nylonfiber. "Bomuld har mange porer, der kan understøtte aktivitet i elektrokemiske apparater, "forklarede Yongmin Ko, et besøgende fakultetsmedlem og en af ​​papirets medforfattere. "Bomuldsfibrene er hydrofile, hvilket betyder, at elektrolytten let fugter overfladen. "

Udover at forbedre elektrodernes ledningsevne, bomuldsfibrene kan forbedre enhedens biokompatibilitet, som er designet til at fungere ved lav temperatur for at tillade brug inde i kroppen.

Implanterbare biobrændselsceller lider af nedbrydning over tid, og den nye celle udviklet af det amerikanske og koreanske team tilbyder forbedret langsigtet stabilitet. "Vi har en rekordhøj effektydelse, og levetiden bør forbedres til biomedicinske applikationer såsom pacemakere, "Sagde Lee.

Pacemakere og andre implanterbare enheder drives nu af batterier, der har levet i mange år, men kan stadig kræve udskiftning i en procedure, der kræver operation. Biobrændselscellen kunne levere en kontinuerlig opladning for disse batterier, muligvis forlænger den tid, enheder kan fungere uden udskiftning af batteri, Tilføjede Lee.

Ud over, biobrændselscellen kunne bruges til at drive enheder beregnet til midlertidig brug. Sådanne anordninger kan implanteres for at give tidsbestemt frigivelse af et lægemiddel, men ville nedbrydes med tiden uden at kræve kirurgisk fjernelse. Til disse applikationer, intet batteri ville være inkluderet, og den begrænsede krævede effekt kunne leveres af biobrændselscellen.

Fremtidige mål for forskningen omfatter demonstration af driften af ​​biobrændselscellen med en energilagringsenhed, og udvikling af en funktionel implanterbar strømkilde. "Vi ønsker at udvikle andre biologiske applikationer til dette, "sagde Lee." Vi vil gerne gå længere med andre applikationer, herunder batterier og højtydende lager. "