초박형 연료 전지는 신체의 설탕을 사용하여 임플란트를 강화할 수 있습니다

click fraud protection
  • MIT 연구원들은 신체의 포도당을 사용하여 작동하는 새로운 전원 세포를 개발했습니다.
  •  세포는 의료 기기에 전력을 공급하고 편의를 위해 전자 장치를 신체에 이식하는 사람들을 도울 수 있습니다.
  • 이식 가능한 장치는 환자에게 미치는 영향을 최소화하기 위해 가능한 한 작아야 합니다.
MIT 설탕 배터리.

MIT

당신의 몸은 미래의 장치를 위한 동력원이 될 수 있습니다.

MIT 과학자들이 개발한 포도당 연료 전지 소형 임플란트와 센서에 연료를 공급할 수 있습니다. 이 장치는 머리카락 굵기의 약 100분의 1을 측정하고 제곱센티미터당 약 43마이크로와트의 전기를 생성합니다. 연료 전지는 의학에서 유용할 수 있으며 소수이지만 점점 더 많은 사람들이 임플란트 전자 가제트 편의를 위해 몸에.

"포도당 연료 전지는 체내에서 쉽게 구할 수 있는 연료를 사용하여 이식 가능한 장치에 전력을 공급하는 데 유용할 수 있습니다." 필립 시몬스, 그는 박사 과정의 일부로 디자인을 개발했습니다. 논문은 이메일 인터뷰에서 Lifewire에 말했습니다. "예를 들어, 우리는 포도당 연료 전지를 사용하여 신체 기능을 측정하는 초소형 센서에 전력을 공급하는 것을 상상합니다. 당뇨병 환자에 대한 포도당 모니터링, 심장 상태 모니터링 또는 종양의 진화를 식별하는 바이오마커 추적을 생각해 보십시오."

작지만 강력한

새로운 연료 전지를 설계할 때 가장 큰 과제는 충분히 작은 설계를 찾는 것이라고 Simons는 말했습니다. 그는 이식 가능한 장치가 환자에게 미치는 영향을 최소화하기 위해 가능한 한 작아야 한다고 덧붙였습니다.

"현재 배터리는 작아질 수 있다는 점에서 매우 제한적입니다. 배터리를 작게 만들면 제공할 수 있는 에너지가 줄어듭니다."라고 Simon은 말했습니다. "우리는 사람 머리카락보다 100배 더 얇은 장치로 소형 센서에 전력을 공급하기에 충분한 에너지를 제공할 수 있음을 보여주었습니다."

"우리의 연료 전지가 얼마나 작은지를 감안할 때 크기가 몇 마이크로미터에 불과한 이식 가능한 장치를 상상할 수 있습니다."

Simons와 그의 동료들은 새로운 장치를 전기를 생성할 수 있고 최대 섭씨 600도의 온도를 견딜 수 있을 정도로 튼튼하게 만들어야 했습니다. 의료용 임플란트에 사용된다면 연료전지는 고온 살균 과정을 거쳐야 한다.

높은 열을 견딜 수 있는 재료를 찾기 위해 연구원들은 고온에서도 전기화학적 특성을 유지하는 세라믹으로 눈을 돌렸습니다. 연구원들은 새로운 디자인이 초박형 필름이나 코팅으로 만들어지고 신체의 풍부한 포도당 공급을 사용하여 전자 장치에 수동으로 전력을 공급하기 위해 임플란트 주위에 감쌀 수 있다고 생각합니다.

새로운 연료 전지에 대한 아이디어는 2016년에 나왔습니다. 제니퍼 L.M. 럽, 시몬스의 논문 지도교수이자 세라믹과 전기화학 기기를 전문으로 하는 MIT 교수는 임신 중에 포도당 검사를 받으러 갔다.

Rupp은 보도 자료에서 "의사 사무실에서 나는 설탕과 전기화학으로 무엇을 할 수 있는지 생각하면서 매우 지루한 전기화학자였습니다."라고 말했습니다. "그때 나는 포도당으로 구동되는 고체 상태 장치를 갖는 것이 좋을 것이라는 것을 깨달았습니다. 그리고 필립과 나는 커피를 마시며 만나 첫 그림을 냅킨에 적었다."

포도당 연료 전지는 1960년대에 처음 도입되었지만 초기 모델은 연질 폴리머를 기반으로 했습니다. 이러한 초기 연료원은 리튬-요오다이드 배터리로 대체되었습니다.

이식된 마이크로칩을 보여주는 부분 x-레이 오버레이가 있는 손.

olegbreslavtsev / 게티 이미지

"현재까지 배터리는 일반적으로 심장 박동기와 같은 이식 가능한 장치에 전원을 공급하는 데 사용됩니다."라고 Simon은 말했습니다. "그러나 이 배터리는 결국 에너지가 고갈되어 심장 박동기를 정기적으로 교체해야 합니다. 이것은 실제로 합병증의 큰 원인입니다."

미래는 작고 이식 가능하다

체내에서 무기한 지속되는 연료전지 솔루션을 찾는 과정에서 연구팀은 양극과 음극이 있는 전해질은 백금과 쉽게 반응하는 안정한 물질로 만들어집니다. 포도당.

새로운 포도당 연료 전지의 재료 유형은 신체에 이식할 수 있는 위치 측면에서 유연성을 허용합니다. "예를 들어, 소화 시스템의 부식성 환경을 견딜 수 있어 과민성 대장 증후군과 같은 만성 질환을 모니터링하는 새로운 센서를 사용할 수 있습니다."라고 Simons는 말했습니다.

연구원들은 세포를 실리콘 웨이퍼 위에 올려 장치가 일반적인 반도체 재료와 쌍을 이룰 수 있음을 보여줍니다. 그런 다음 맞춤 제작된 테스트 스테이션에서 각 웨이퍼 위로 포도당 용액을 흘릴 때 각 셀에서 생성되는 전류를 측정했습니다.

에 발표된 결과에 따르면 많은 전지가 약 80밀리볼트의 피크 전압을 생성했습니다. 최근 논문 저널에서 첨단소재. 연구원들은 이것이 모든 포도당 연료 전지 설계 중 가장 높은 전력 밀도라고 주장합니다.

"포도당 연료 전지는 체내에서 쉽게 구할 수 있는 연료를 사용하여 이식 가능한 장치에 전력을 공급하는 데 유용할 수 있습니다."

MIT 팀은 "삽입된 센서 및 아마도 다른 기능을 위한 소형 전원에 대한 새로운 경로를 열었습니다." 트룰스 노비연구에 기여하지 않은 노르웨이 오슬로 대학의 화학 교수는 보도 자료에서 말했다. "사용된 세라믹은 인체의 조건과 이식 전 살균 조건 모두에 대해 독성이 없고 저렴하며 최소한의 불활성도 아닙니다. 지금까지의 개념과 데모는 실제로 유망합니다."

Simons는 새로운 연료 전지가 미래에 완전히 새로운 종류의 장치를 가능하게 할 수 있다고 말했습니다. 그는 “연료 전지가 얼마나 작은지를 감안할 때 크기가 불과 몇 마이크로미터에 불과한 이식 가능한 장치를 상상할 수 있다”고 덧붙였다. "이제 이식 가능한 장치로 개별 세포를 다룰 수 있다면 어떨까요?"