Технологии Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) разработали топливный элемент, работающий на глюкозе. Он может быть использован для управления высокоэффективными мозговыми имплантатами, которые могли бы помочь парализованным пациентам двигать своими конечностями.
Топливные элементы, описанные в последнем номере журнала PLoS ONE, отделяют электроны из молекул глюкозы, вырабатывая небольшой электрический ток. Исследователи изготовили топливный элемент на основе кристаллов кремния, что позволяет ему интегрироваться с другими схемами, которые будут необходимы для имплантата мозга.
Идея топливного элемента на базе глюкозы не нова: еще в 1970-х годах ученые продемонстрировали возможность зарядки кардиостимулятора при помощи топливных элементов из глюкозы, однако, после они уступили литий-ионным батареям, которые могли бы обеспечить значительно большую мощность на единицу площади чем топливо из глюкозы. Этот топливный элемент также использовал ферменты, которые оказались непрактичными для долгосрочных имплантаций в тело, так как они переставали функционировать эффективно.
Новый топливный элемент ученых из MIT изготавливается из кремния, при этом используются те же технологии, что и в полупроводниковых электронных чипах. Топливный элемент не имеет биологических компонентов: он состоит из платинового катализатора, который удаляет электроны из глюкозы, имитируя активность клеточных ферментов, которые расщепляют глюкозу для получения аденозинтрифосфата (АТФ), соединения, которое играет исключительно важную роль в обмене энергии и веществ в организмах. Таким образом, топливные элементы смогут генерировать до сотен микроватт энергии, которой хватит на то, чтобы зарядить клинически полезные нейронные имплантаты с ультра-низким энергопотреблением.
По словам одного из авторов исследования, прежде чем пациенты получат такие имплантируемые системы с устройствами, питающимися топливными элементами на основе глюкозы, пройдет еще пару лет.
Ученые подсчитали, что теоретически такие топливные элементы могут получать сахар, в котором они нуждаются из спинномозговой жидкости. В спинномозговой жидкости мало клеток, поэтому маловероятно, что имплантат, находящийся там, будет провоцировать иммунный ответ, поясняют исследователи. Кроме того, значительная часть глюкозы в спинномозговой жидкости не используется телом.
Специалисты говорят, что работа ученых из MIT является хорошим шагом на пути к разработке имплантируемых медицинских устройств, которые не требуют внешних источников питания. Ранее исследования показали, что парализованные пациенты могли использовать машинный интерфейс для перемещения манипулятора, имплантаты в этом случае должны быть подключены к электричеству.
Микробиологии из MIT являются лидерами в области разработки электроники с ультра-низким энергопотреблением, являясь авторами проектов по кохлеарным и мозговым имплантатам. По их словам, топливный элемент на основе глюкозы в сочетании с электроникой с ультра-низким энергопотреблением позволят мозговым и другим имплантатам быть полностью автономными.
