Da asporto chiave
- I ricercatori del MIT hanno sviluppato una nuova cellula energetica che funziona utilizzando il glucosio del tuo corpo.
- Le celle potrebbero alimentare dispositivi medici e aiutare le persone che impiantano gadget elettronici nei loro corpi per comodità.
- I dispositivi impiantabili devono essere il più piccoli possibile per ridurre al minimo il loro impatto sui pazienti.
Il tuo stesso corpo potrebbe essere una fonte di energia per futuri gadget.
Gli scienziati del MIT hanno sviluppato una cella a combustibile alimentata a glucosio che potrebbe alimentare impianti e sensori in miniatura. Il dispositivo misura circa 1/100 del diametro di un capello umano e genera circa 43 microwatt per centimetro quadrato di elettricità. Le pile a combustibile potrebbero essere utili in medicina e nel piccolo ma crescente numero di persone che impiantano gadget elettronici nei loro corpi per comodità.
"Le celle a combustibile a glucosio possono diventare utili per alimentare dispositivi impiantabili utilizzando un carburante prontamente disponibile nel corpo", Philipp Simons, che ha sviluppato il progetto come parte del suo dottorato di ricerca. tesi, ha detto a Lifewire in un'intervista via e-mail. "Ad esempio, immaginiamo di utilizzare la nostra cella a combustibile a glucosio per alimentare sensori altamente miniaturizzati che misurano le funzioni corporee. Pensa al monitoraggio del glucosio per i pazienti diabetici, al monitoraggio delle condizioni cardiache o al monitoraggio dei biomarcatori che identificano l'evoluzione di un tumore."
Piccolo ma potente
La sfida più grande nella progettazione della nuova cella a combustibile è stata la creazione di un progetto che fosse abbastanza piccolo, ha detto Simons. Ha aggiunto che i dispositivi impiantabili devono essere il più piccoli possibile per ridurre al minimo il loro impatto sui pazienti.
"Attualmente, le batterie sono molto limitate in quanto possono diventare piccole: se rimpicciolisci una batteria, riduce la quantità di energia che può fornire", ha detto Simons. "Abbiamo dimostrato che con un dispositivo 100 volte più sottile di un capello umano, possiamo fornire energia sufficiente per alimentare sensori in miniatura."
Dato quanto è piccola la nostra cella a combustibile, si possono immaginare dispositivi impiantabili grandi solo pochi micrometri.
Simons e i suoi collaboratori hanno dovuto realizzare il nuovo dispositivo in grado di generare elettricità e abbastanza resistente da resistere a temperature fino a 600 gradi Celsius. Se utilizzata in un impianto medico, la cella a combustibile dovrebbe essere sottoposta a un processo di sterilizzazione ad alta temperatura.
Per trovare un materiale in grado di resistere al calore elevato, i ricercatori si sono rivolti alla ceramica, che conserva le sue proprietà elettrochimiche anche ad alte temperature. I ricercatori prevedono che il nuovo design potrebbe essere trasformato in film o rivestimenti ultrasottili e avvolto attorno agli impianti per alimentare passivamente l'elettronica, utilizzando l'abbondante apporto di glucosio del corpo.
L'idea per la nuova cella a combustibile è nata nel 2016 quando Jennifer L. M. Rupp, supervisore della tesi di Simons e professoressa del MIT, specializzata in ceramica e dispositivi elettrochimici, si è sottoposta a un test del glucosio durante la gravidanza.
"Nell'ufficio del dottore, ero un elettrochimico molto annoiato, pensando a cosa si poteva fare con lo zucchero e l'elettrochimica", ha detto Rupp in un comunicato stampa. "Poi ho capito che sarebbe stato bello avere un dispositivo a stato solido alimentato a glucosio. E Philipp e io ci siamo incontrati davanti a un caffè e abbiamo scritto su un tovagliolo i primi disegni."
Le celle a combustibile a glucosio furono introdotte per la prima volta negli anni '60, ma i primi modelli erano basati su polimeri morbidi. Queste prime fonti di carburante furono sostituite da batterie allo ioduro di litio.
"Ad oggi, le batterie sono generalmente utilizzate per alimentare dispositivi impiantabili come pacemaker", ha affermato Simons. "Tuttavia, queste batterie finiranno per esaurirsi, il che significa che un pacemaker deve essere sostituito regolarmente. Questa è in re altà un'enorme fonte di complicazioni."
Il futuro potrebbe essere piccolo e impiantabile
Nella ricerca di una soluzione di celle a combustibile che potesse durare indefinitamente all'interno del corpo, il team ha inserito un elettrolita con un anodo e un catodo di platino, un materiale stabile che reagisce prontamente con il glucosio.
Il tipo di materiali nella nuova cella a combustibile di glucosio consente flessibilità in termini di dove può essere impiantata nel corpo. "Ad esempio, può resistere all'ambiente corrosivo dell'apparato digerente, che potrebbe consentire a nuovi sensori di monitorare malattie croniche come la sindrome dell'intestino irritabile", ha detto Simons.
I ricercatori hanno posizionato le celle su wafer di silicio, dimostrando che i dispositivi possono essere accoppiati con un materiale semiconduttore comune. Hanno quindi misurato la corrente prodotta da ciascuna cella mentre facevano scorrere una soluzione di glucosio su ciascun wafer in una stazione di test fabbricata su misura.
Molte celle hanno prodotto una tensione di picco di circa 80 millivolt, secondo i risultati pubblicati in un recente articolo sulla rivista Advanced Materials. I ricercatori affermano che questa è la densità di potenza più alta di qualsiasi progetto di celle a combustibile a glucosio.
Le celle a combustibile a glucosio possono diventare utili per alimentare dispositivi impiantabili utilizzando un carburante prontamente disponibile nel corpo.
Il team del MIT ha "aperto una nuova strada verso fonti di alimentazione in miniatura per sensori impiantati e forse altre funzioni", Truls Norby, professore di chimica all'Università di Oslo in Norvegia, che non ha contribuito al lavoro, detto in un comunicato stampa. "Le ceramiche utilizzate sono atossiche, economiche e non [la] meno inerti, sia per le condizioni del corpo che per le condizioni di sterilizzazione prima dell'impianto. Il concetto e la dimostrazione finora sono davvero promettenti."
Simons ha affermato che le nuove celle a combustibile potrebbero consentire classi di dispositivi completamente nuove in futuro. "Dato quanto è piccola la nostra cella a combustibile, si possono immaginare dispositivi impiantabili grandi solo pochi micrometri", ha aggiunto. "E se potessimo ora indirizzare le singole cellule con dispositivi impiantabili?"
