Специалисты МФТИ совместно с коллегами из НИЦ «Курчатовский институт» создали инновационный биотопливный элемент питания, использующий глюкозу и многостенные углеродные нанотрубки для бесперебойной работы нейроимплантов. Успешные испытания устройства проведены на лабораторных животных, а результаты исследования опубликованы в авторитетном журнале IEEE.
Современная медицина достигла впечатляющих успехов в разработке имплантируемых устройств, способных восстанавливать функции поврежденных органов, включая жизненно важные — сердце и мозг. Однако существенным ограничением остаются традиционные литий-ионные аккумуляторы: они объемны, содержат вредные компоненты и нуждаются в регулярной хирургической замене.
Настоящим прорывом в энергообеспечении медицинских имплантов может стать ферментный биотопливный элемент (ФБТЭ). Это миниатюрный генератор, непрерывно вырабатывающий энергию из естественных ресурсов организма пациента. Такие долговечные нейроинтерфейсы найдут широкое применение в лечении различных неврологических заболеваний, включая болезни Альцгеймера, Паркинсона и эпилептические расстройства.
Человеческий организм является мощной энергетической системой, генерирующей механическую энергию при дыхании, сердцебиении и мышечных сокращениях, а также тепловую и биохимическую энергию. Современные технологии уже позволяют использовать фотоэмиссионный и термоэлектрический эффекты, однако стабильность преобразования энергии остается недостаточной.
Инновационный ферментный биотопливный элемент эффективно преобразует химическую энергию глюкозы из физиологических жидкостей в электрическую. Глюкоза, будучи основным энергетическим субстратом организма, идеально подходит для этой цели благодаря своей повсеместной доступности и строгой регуляции концентрации через механизмы гомеостаза. При этом потребление глюкозы биотопливным элементом настолько мало, что никак не влияет на общий метаболизм.
«Мы создали революционную технологию получения электроэнергии внутри организма путем окисления глюкозы. Это позволит заменить традиционные аккумуляторы на естественный источник питания, не требующий замены. Наше решение универсально — оно подходит для кардиостимуляторов, нейростимуляторов и слуховых имплантов. Особенно важно, что мы научились использовать глюкозу спинномозговой жидкости. Успешные испытания на животных открывают путь к дальнейшим исследованиям», — поделилась достижениями Екатерина Вахницкая, магистрантка МФТИ.
Компактная конструкция биотопливного элемента включает два микроэлектрода. Анод содержит фермент, расщепляющий глюкозу до протонов и электронов, а на катоде кислород восстанавливается с участием этих частиц через электролит и внешнюю цепь.
Ключевым фактором эффективности устройства стало применение инновационных материалов, включая многослойные углеродные нанотрубки — цилиндрические структуры из свернутых атомов углерода. Такой подход обеспечивает максимальную производительность элементов.
Екатерина Вахницкая подчеркивает уникальные свойства разработанного композитного материала для анода. Углеродные нанотрубки увеличивают рабочую поверхность и проводимость, позволяя закрепить больше фермента и повысить мощность устройства.
«Наш композитный анод решает критическую проблему удержания фермента, предотвращая его вымывание в кровь и ликвор. Специальная структура из полимеров и углеродных материалов надежно иммобилизует ферменты. Серия измерений подтвердила стабильность мощности элемента, что доказывает эффективность иммобилизации», — пояснила исследовательница.
Разработчики уделили особое внимание ключевым характеристикам источника питания — выходному напряжению и удельной мощности, добившись впечатляющих результатов.
Экспериментальные исследования на животных продемонстрировали выдающиеся показатели: удельная мощность достигла 51,8 мВт/см2 при максимальном потенциале 200 мВ. Эти результаты убедительно доказывают перспективность применения биотопливного элемента как долговременного источника питания для нейростимуляторов, а использование проводящих углеродных наноматериалов открывает широкие возможности для дальнейшего развития технологии.
Информация и изображение предоставлены Центром научной коммуникации МФТИ
Источник: scientificrussia.ru
