Bài học rút ra chính
- Các nhà nghiên cứuMIT đã phát triển một tế bào năng lượng mới hoạt động bằng cách sử dụng glucose trong cơ thể bạn.
- Các tế bào có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị y tế và hỗ trợ những người cấy ghép các thiết bị điện tử vào cơ thể của họ để thuận tiện.
- Thiết bị cấy ghép cần càng nhỏ càng tốt để giảm thiểu tác động của chúng đến bệnh nhân.
Cơ thể của bạn có thể là nguồn cung cấp năng lượng cho các thiết bị trong tương lai.
Các nhà khoa học củaMIT đã phát triển một loại pin nhiên liệu chạy bằng glucose có thể cung cấp nhiên liệu cho các bộ phận cấy ghép và cảm biến thu nhỏ. Thiết bị này có đường kính bằng 1/100 sợi tóc người và tạo ra khoảng 43 microwatts trên một cm vuông điện. Các tế bào nhiên liệu có thể hữu ích trong y học và ngày càng có nhiều người cấy ghép các thiết bị điện tử vào cơ thể để thuận tiện.
"Tế bào nhiên liệu glucoza có thể trở nên hữu ích để cung cấp năng lượng cho các thiết bị cấy ghép bằng cách sử dụng nhiên liệu có sẵn trong cơ thể", Philipp Simons, người đã phát triển thiết kế như một phần của bằng Tiến sĩ. nói với Lifewire trong một cuộc phỏng vấn qua email. "Ví dụ: chúng tôi hình dung việc sử dụng pin nhiên liệu glucose của mình để cung cấp năng lượng cho các cảm biến được thu nhỏ cao để đo các chức năng của cơ thể. Hãy nghĩ đến việc theo dõi lượng glucose cho bệnh nhân tiểu đường, theo dõi tình trạng tim hoặc theo dõi các dấu ấn sinh học để xác định sự tiến triển của khối u."
Nhỏ nhưng hùng mạnh
Thách thức lớn nhất trong việc thiết kế pin nhiên liệu mới là đưa ra một thiết kế đủ nhỏ, Simons nói. Ông nói thêm rằng các thiết bị cấy ghép cần phải càng nhỏ càng tốt để giảm thiểu tác động của chúng đến bệnh nhân.
"Hiện tại, pin có thể trở nên nhỏ hơn rất hạn chế: nếu bạn làm một viên pin nhỏ hơn, nó sẽ làm giảm lượng năng lượng mà nó có thể cung cấp", Simons nói. "Chúng tôi đã chứng minh rằng với một thiết bị mỏng hơn sợi tóc người 100 lần, chúng tôi có thể cung cấp năng lượng đủ để cung cấp năng lượng cho các cảm biến thu nhỏ."
Với việc pin nhiên liệu của chúng ta nhỏ đến mức nào, người ta có thể tưởng tượng những thiết bị cấy ghép chỉ lớn vài micromet.
Simons và các cộng sự của anh ấy đã phải làm cho thiết bị mới có thể tạo ra điện và đủ dẻo dai để chịu được nhiệt độ lên đến 600 độ C. Nếu được sử dụng trong thiết bị cấy ghép y tế, pin nhiên liệu sẽ phải trải qua quá trình khử trùng ở nhiệt độ cao.
Để tìm một vật liệu có thể chịu được nhiệt độ cao, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng gốm, loại gốm vẫn giữ được các đặc tính điện hóa của nó ngay cả ở nhiệt độ cao. Các nhà nghiên cứu hình dung rằng thiết kế mới có thể được chế tạo thành màng hoặc lớp phủ siêu mỏng và bọc xung quanh các mô cấy để cung cấp năng lượng thụ động cho các thiết bị điện tử, sử dụng nguồn cung cấp glucose dồi dào của cơ thể.
Ý tưởng về pin nhiên liệu mới xuất hiện vào năm 2016 khi Jennifer L. M. Rupp, giám sát luận án của Simons và một giáo sư MIT, người chuyên về gốm sứ và các thiết bị điện hóa, đi kiểm tra lượng đường trong thai kỳ của cô ấy.
"Trong văn phòng bác sĩ, tôi là một nhà điện hóa rất buồn chán, đang nghĩ bạn có thể làm gì với đường và điện hóa," Rupp nói trong một bản tin. "Sau đó, tôi nhận ra rằng sẽ rất tốt nếu có một thiết bị thể rắn chạy bằng đường glucose. Tôi và Philipp gặp nhau bên ly cà phê và viết lên khăn ăn những bức vẽ đầu tiên."
Pin nhiên liệu đường gluco lần đầu tiên được giới thiệu vào những năm 1960, nhưng các mô hình ban đầu dựa trên polyme mềm. Các nguồn nhiên liệu ban đầu này được thay thế bằng pin lithium-iodide.
"Cho đến nay, pin thường được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị cấy ghép như máy điều hòa nhịp tim," Simons nói. "Tuy nhiên, những viên pin này cuối cùng sẽ cạn kiệt năng lượng, đồng nghĩa với việc máy điều hòa nhịp tim cần được thay thế thường xuyên. Đây thực sự là một nguồn phức tạp lớn."
Tương lai có thể nhỏ và có thể cấy ghép
Trong quá trình tìm kiếm giải pháp pin nhiên liệu có thể tồn tại vô thời hạn bên trong cơ thể, nhóm nghiên cứu đã kẹp một chất điện phân với cực dương và cực âm làm bằng bạch kim, một vật liệu ổn định dễ phản ứng với glucose.
Loại vật liệu trong pin nhiên liệu glucose mới cho phép linh hoạt về vị trí có thể cấy vào cơ thể. Simons cho biết: “Ví dụ, nó có thể chịu được môi trường ăn mòn của hệ tiêu hóa, có thể kích hoạt các cảm biến mới theo dõi các bệnh mãn tính như hội chứng ruột kích thích.
Các nhà nghiên cứu đặt các tế bào lên tấm silicon, cho thấy rằng các thiết bị này có thể được ghép nối với một vật liệu bán dẫn thông thường. Sau đó, họ đo dòng điện được tạo ra bởi mỗi tế bào khi chúng chảy dung dịch glucose qua mỗi tấm wafer trong một trạm thử nghiệm được chế tạo riêng.
Nhiều tế bào tạo ra điện áp đỉnh khoảng 80 milivôn, theo kết quả được công bố trong một bài báo gần đây trên tạp chí Vật liệu nâng cao. Các nhà nghiên cứu khẳng định đây là mật độ năng lượng cao nhất của bất kỳ thiết kế pin nhiên liệu glucose nào.
Tế bào nhiên liệu glucoza có thể trở nên hữu ích để cung cấp năng lượng cho các thiết bị cấy ghép bằng cách sử dụng nhiên liệu có sẵn trong cơ thể.
Nhóm MIT đã "mở ra một lộ trình mới cho các nguồn điện thu nhỏ cho các cảm biến cấy ghép và có thể có các chức năng khác", Truls Norby, giáo sư hóa học tại Đại học Oslo ở Na Uy, người không đóng góp vào công việc này, cho biết trong một thông cáo báo chí. "Gốm sứ được sử dụng không độc hại, rẻ tiền, và không trơ nhất, cả với điều kiện trong cơ thể và điều kiện khử trùng trước khi cấy ghép. Khái niệm và trình diễn cho đến nay thực sự đầy hứa hẹn."
Simons nói rằng pin nhiên liệu mới có thể kích hoạt các loại thiết bị hoàn toàn mới trong tương lai. Ông nói thêm: “Với việc pin nhiên liệu của chúng ta nhỏ đến mức nào, người ta có thể tưởng tượng những thiết bị cấy ghép chỉ lớn vài micromet. "Điều gì sẽ xảy ra nếu bây giờ chúng ta có thể giải quyết các tế bào riêng lẻ bằng các thiết bị cấy ghép?"
