Мини электростанция в сердце
Все более мелкие технические помощники предназначены для поддержки или даже замены естественных функций сердца, мозга, уха или глаза. Но для этого им нужна энергия. Вместо классических батареек исследователи все чаще полагаются на эндогенный источник: глюкозу.
Кардиостимуляторы продлевают жизнь человека уже почти пятьдесят лет. Средний возраст пациентов после имплантации составляет 75 лет. После имплантации крошечный помощник может оставаться в организме в среднем восемь лет. Но тогда его источник энергии, батарея, истощается - часто не хватает на долгую жизнь человека. Последствием является повторная операция, при которой блок питания удаляется и заменяется новым. Не только риск для больного в пожилом возрасте.
Есть энергетический ресурс, который практически неограничен в организме человека. Мы принимаем их каждый день с пищей: декстрозой или глюкозой. В будущем исследователи, такие как ученые из Фрайбурга и Роланд Зенгерле из кафедры разработки приложений Института микросистемных технологий, хотят получить доступ к этому бесконечному источнику кардиостимуляторов и других медицинских имплантатов, которые остаются в организме в течение длительного времени.
Биотопливные элементы - это название микроэлектростанций, которые могут генерировать плотность мощности до четырех микроватт на квадратный сантиметр при обычной концентрации глюкозы в жидкостях организма от половины до одной на тысячу. «При потребляемой мощности современного кардиостимулятора в десять микроватт три квадратных сантиметра площади топливных элементов достаточны для его работы», - объясняет инженер Свен Керценмахер из Института технологии микросистем. В биотопливной ячейке, которая исследуется под руководством Феликса фон Штеттена, кислород, растворенный в крови, электрохимически окисляет сахар в крови. «Еще более высокая плотность мощности может быть достигнута с помощью ферментов в качестве катализаторов. Но они нестабильны в долгосрочной перспективе. Вот почему мы используем абиотические катализаторы, такие как платина и активированный уголь», - продолжает Кэндлмейкер.
Не совсем новая идея: сотрудники Siemens разработали первые модели имплантируемого глюкозного топливного элемента еще в 1972 году. Однако интерес к этому проекту снова пропал в 1975 году с появлением мощных литий-йодных аккумуляторов. Во времена, когда пациенты стареют и микроимплантаты, контролирующие функции их организма, становятся все более распространенными в будущем, биотопливный элемент снова в центре внимания научных исследований.
«Проблемы исследовательского проекта остаются прежними спустя 25 лет», - объясняет Керценмахер. Фундаментальная проблема заключается в том, что кислород и глюкоза всегда присутствуют в жидкостях организма в виде смеси. Однако для бесперебойного функционирования и максимальной эффективности топливного элемента к катоду должен проникать только кислород, а к аноду - только глюкоза.
В начале 1970-х инженеры, которые хотели решить эту проблему, поняли, что абиотический глюкозный топливный элемент должен состоять из нескольких слоев, как бутерброд.
Сегодня исследователи из Института технологии микросистем тестируют в основном две разные конструкции. Более эффективен метод гидрофобной катодной мембраны: гидрофобное покрытие на катоде препятствует проникновению к нему глюкозы. С другой стороны, сэндвич-структура имеет гидрофильную мембрану и немного более широкий анод. Концентрация кислорода падает больше, чем концентрация глюкозы по ширине анода. Это означает отсутствие нежелательного смешанного потенциала.
Второй подход представляет собой сэндвич-структуру, открытую только с одной стороны, с катодом, селективным по отношению к кислороду. Активированный уголь, высокопористая форма углерода, действует как барьер, потребляющий кислород, в качестве катализатора на входной стороне, а глюкоза, с другой стороны, может проходить через катод к аноду, где она окончательно окисляется. «Преимущество этого типа топливных элементов заключается в том, что поверхность поставляемого имплантата может быть эффективно использована, - говорит Керценмахер, - поэтому мы сосредоточились на этой концепции». В дополнение к чистой платине исследователи также используют сплавы платины в качестве катализаторов окисления глюкозы на аноде. Атомы сплава служат заполнителями и снова растворяются перед использованием электрода, чтобы создать пористую поверхность платины с высокой каталитической активностью.
Долгосрочные испытания, проведенные в 1970-х годах, подтвердили: абиотический топливный элемент с прямой глюкозой надежно поставляет энергию. Благодаря биосовместимым материалам также не было проблем с собственной иммунной системой организма, благодаря чему производительность малой энергетической установки существенно не снизилась в течение испытательного периода в 150 дней. Однако пройдет некоторое время, прежде чем мини-электростанция будет запущена в клиническую эксплуатацию. «Вопросы, которые нас сейчас волнуют, - это оптимизация производительности и долговременная биосовместимость топливного элемента», - резюмирует Керценмахер.
Значит, в будущем люди станут ходячими розетками и будут управлять своими MP3-плеерами и мобильными телефонами без батареек с помощью чрескожных кабелей? Конечно, не в ближайшем будущем: при нынешних характеристиках топливного элемента площадь мини-электростанции придется значительно увеличить. «Это может функционировать в организме только в ограниченной степени», - подтверждает Керценмахер. По этой причине потенциальное использование глюкозных топливных элементов в обозримом будущем будет ограничено кардиостимуляторами. Другие имплантаты, такие как кохлеарный имплантат, в настоящее время слишком энергоемки. Тем не менее, топливный элемент может иметь здесь вспомогательный эффект и продлить срок службы батареи. Будущие имплантаты, такие как имплантаты сетчатки или кардиостимуляторы мозга, могут даже зависеть от мини-электростанций, поскольку их все более компактная конструкция оставляет все меньше и меньше места для батарей.