Een door glucose aangedreven biobrandstofcel die gebruikmaakt van elektroden gemaakt van katoenvezels, zou ooit kunnen helpen implanteerbare medische apparaten zoals pacemakers en sensoren van stroom te voorzien. De nieuwe brandstofcel, die twee keer zoveel vermogen levert als conventionele biobrandstofcellen, kan worden gecombineerd met batterijen of supercondensatoren om een ​​hybride stroombron voor de medische apparaten te bieden.

Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology en de Korea University gebruikten gouden nanodeeltjes die op het katoen waren geassembleerd om hooggeleidende elektroden te maken die de efficiëntie van de brandstofcel hielpen verbeteren. Dat stelde hen in staat om een ​​van de grootste uitdagingen aan te gaan die de prestaties van biobrandstofcellen beperken:het verbinden van het enzym dat wordt gebruikt om glucose te oxideren met een elektrode.

Een laag-voor-laag assemblagetechniek die werd gebruikt om de gouden elektroden te fabriceren - die zowel de elektrokatalytische kathode als het geleidende substraat voor de anode leveren - hielp de vermogenscapaciteit te verhogen tot maar liefst 3,7 milliwatt per vierkante centimeter. De resultaten van het onderzoek werden op 26 oktober gerapporteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"We zouden dit apparaat kunnen gebruiken als een continue stroombron om chemische energie van glucose in het lichaam om te zetten in elektrische energie, " zei Seung Woo Lee, een assistent-professor aan de Woodruff School of Mechanical Engineering van Georgia Tech. "De laag-voor-laag afzettingstechniek regelt nauwkeurig de afzetting van zowel het gouden nanodeeltje als het enzym, waardoor de vermogensdichtheid van deze brandstofcel drastisch wordt verhoogd."

De fabricage van de elektroden begint met poreuze katoenvezels die zijn samengesteld uit meerdere hydrofiele microfibrillen - cellulosevezels die hydroxylgroepen bevatten. Gouden nanodeeltjes met een diameter van ongeveer acht nanometer worden vervolgens op de vezels geassembleerd met behulp van organische linkermaterialen.

Om de anode te maken voor het oxideren van de glucose, de onderzoekers passen glucose-oxidase-enzym toe in lagen, afgewisseld met een amine-gefunctionaliseerd klein molecuul dat bekend staat als TREN. de kathode, waar de zuurstofreductiereactie plaatsvindt, gebruikte de met goud bedekte elektroden, die elektrokatalytische eigenschappen hebben.

"We controleren nauwkeurig de lading van het enzym, Lee zei. "We produceren een zeer dunne laag zodat het ladingstransport tussen het geleidende substraat en het enzym wordt verbeterd. We hebben een zeer nauwe verbinding tussen de materialen gemaakt, zodat het transport van elektronen gemakkelijker is."

De porositeit van het katoen maakte een toename van het aantal goudlagen mogelijk in vergelijking met een nylonvezel. "Katoen heeft veel poriën die activiteit in elektrochemische apparaten kunnen ondersteunen, " legde Yongmin Ko uit, een gastdocent en een van de co-auteurs van de paper. "De katoenvezel is hydrofiel, wat betekent dat de elektrolyt het oppervlak gemakkelijk nat maakt."

Naast het verbeteren van de geleidbaarheid van de elektroden, de katoenvezel zou de biocompatibiliteit van het apparaat kunnen verbeteren, die is ontworpen om bij lage temperaturen te werken om gebruik in het lichaam mogelijk te maken.

Implanteerbare biobrandstofcellen lijden in de loop van de tijd aan degradatie, en de nieuwe cel die is ontwikkeld door het Amerikaanse en Koreaanse team biedt verbeterde stabiliteit op lange termijn. "We hebben een record op hoog vermogen, en de levensduur moet worden verbeterd voor biomedische toepassingen zoals pacemakers, "zei Leen.

Pacemakers en andere implanteerbare apparaten worden nu aangedreven door batterijen die jaren meegaan, maar kan nog steeds vervanging vereisen in een procedure die een operatie vereist. De biobrandstofcel zou die batterijen continu kunnen opladen, mogelijk verlengen van de tijd dat apparaten kunnen werken zonder vervanging van de batterij, voegde Lee eraan toe.

In aanvulling, de biobrandstofcel kan worden gebruikt voor het aandrijven van apparaten die bedoeld zijn voor tijdelijk gebruik. Dergelijke apparaten kunnen worden geïmplanteerd om een ​​getimede afgifte van een medicijn te verschaffen, maar zou na verloop van tijd biologisch afbreken zonder dat chirurgische verwijdering nodig is. Voor deze toepassingen is er zou geen batterij worden meegeleverd, en het beperkte benodigde vermogen kan worden geleverd door de biobrandstofcel.

Toekomstige doelen van het onderzoek zijn onder meer het demonstreren van de werking van de biobrandstofcel met een energieopslagapparaat, en ontwikkeling van een functionele implanteerbare stroombron. “Hiervoor willen we andere biologische toepassingen ontwikkelen, " zei Lee. "We willen graag verder gaan met andere toepassingen, waaronder batterijen en krachtige opslag."