材料科學(xué)：棉花的混合生物燃料電池，可為植入式醫(yī)療設(shè)備提供動(dòng)力？

使用棉纖維制成的電極的葡萄糖動(dòng)力生物燃料電池有朝一日可以為植入式醫(yī)療設(shè)備和傳感器提供動(dòng)力。新型燃料電池的功率是傳統(tǒng)生物燃料電池的兩倍，可與電池或超級(jí)電容器配對(duì)，為醫(yī)療設(shè)備提供混合動(dòng)力源。

佐治亞理工學(xué)院和韓國(guó)大學(xué)的研究人員使用在棉花上組裝的金納米粒子來制造高電導(dǎo)率電極，這有助于提高燃料電池的效率。這使他們能夠解決限制生物燃料電池性能的主要挑戰(zhàn)之一-將用于氧化葡萄糖的酶與電極連接起來。

阿層用于制造金電極-其提供兩個(gè)電催化陰極和導(dǎo)電性基板逐層組裝技術(shù)陽極幫助提高功率容量每平方厘米多達(dá)3.7毫瓦。研究結(jié)果于10月26日在NatureCommunications雜志上發(fā)表。

佐治亞理工學(xué)院伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院助理教授SeungWooLee說：“我們可以將這種裝置用作連續(xù)動(dòng)力源，將體內(nèi)葡萄糖的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。”“逐層沉積技術(shù)精確控制金納米粒子和酶的沉積，大大提高了這種燃料電池的功率密度?！?br/>
電極的制造始于由多種親水性微纖維-含有羥基的纖維素纖維組成的多孔棉纖維。然后使用有機(jī)連接材料將直徑約8納米的金納米顆粒組裝到纖維上。

為了產(chǎn)生氧化葡萄糖的陽極，研究人員將葡萄糖氧化酶分層交替使用稱為TREN的胺官能化小分子。發(fā)生氧還原反應(yīng)的陰極使用具有電催化能力的金覆蓋電極。

“我們精確地控制了酶的加載，”Lee說。“我們生產(chǎn)了一層非常薄的層，以便改善導(dǎo)電基板和酶之間的電荷傳輸。我們?cè)诓牧现g建立了非常緊密的連接，因此電子的傳輸更容易。”

與尼龍纖維相比，棉的孔隙率允許金層數(shù)量增加?！懊藁ㄓ性S多毛孔可以支持電化學(xué)裝置的活動(dòng)，”訪問教授和該論文的共同作者之一YongminKo解釋道。“棉纖維是親水的，這意味著電解質(zhì)很容易潤(rùn)濕表面?！?br/>
除了提高電極的導(dǎo)電性之外，棉纖維還可以改善設(shè)備的生物相容性，該設(shè)備設(shè)計(jì)為在低溫下操作以允許在體內(nèi)使用。

植入式生物燃料電池隨著時(shí)間的推移而遭受退化，美國(guó)和韓國(guó)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新電池提供了改善的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。“我們擁有創(chuàng)紀(jì)錄的高功率性能，并且應(yīng)該改善生命醫(yī)學(xué)應(yīng)用的壽命，例如心臟起搏器，”Lee說。

起搏器和其他可植入設(shè)備現(xiàn)在由電池供電，持續(xù)數(shù)年，但可能仍需要在需要手術(shù)的過程中進(jìn)行更換。Lee補(bǔ)充說，生物燃料電池可以為這些電池提供連續(xù)充電，可能延長(zhǎng)設(shè)備在沒有電池更換的情況下運(yùn)行的時(shí)間。

此外，生物燃料電池可用于為臨時(shí)使用的設(shè)備供電。可以植入這樣的裝置以提供藥物的定時(shí)釋放，但是可以隨時(shí)間生物降解而不需要手術(shù)移除。對(duì)于這些應(yīng)用，不包括電池，并且生物燃料電池可以提供所需的有限功率。

該研究的未來目標(biāo)包括用能量存儲(chǔ)裝置展示生物燃料電池的操作，以及功能性可植入電源的開發(fā)。“我們希望為此開發(fā)其他生物應(yīng)用，”李說?！拔覀兿ＭM(jìn)一步推廣其他應(yīng)用，包括電池和高性能存儲(chǔ)?！?/p>