Glikoz, yediğimiz yiyeceklerden emdiğimiz şekerdir. Vücudumuzdaki her hücreye güç veren yakıttır. Glikoz yarının tıbbi implantlarına da güç verebilir mi? MIT ve Münih Teknik Üniversitesi’ndeki mühendisler öyle düşünüyor. Glikozu doğrudan elektriğe dönüştüren yeni bir tür glikoz yakıt hücresi tasarladılar. Cihaz, önerilen diğer glikoz yakıt hücrelerinden daha küçüktür, sadece 400 nanometre kalınlığında veya bir insan saçı çapının yaklaşık 1 / 100’ü kadardır.
Şekerli güç kaynağı, santimetre kare başına yaklaşık 43 mikro watt elektrik üreterek, ortam koşullarında bugüne kadar herhangi bir glikoz yakıt hücresinin en yüksek güç yoğunluğunu elde eder.
Yeni cihaz aynı zamanda dayanıklıdır ve 600 santigrat dereceye kadar sıcaklıklara dayanabilir.
Tıbbi bir implanta dahil edilirse, yakıt hücresi implante edilebilir tüm cihazlar için gerekli olan yüksek sıcaklıkta sterilizasyon işlemi ile sabit kalabilir.
Yeni cihazın kalbi, yüksek sıcaklıklarda ve minyatür ölçeklerde bile elektrokimyasal özelliklerini koruyan bir malzeme olan seramikten yapılmıştır.
Araştırmacılar, yeni tasarımın ultra ince filmler veya kaplamalar haline getirilebileceğini ve vücudun bol miktarda glikoz kaynağını kullanarak pasif güç elektroniğine implantların etrafına sarılabileceğini öngörüyorlar.
Tasarımı MIT’NİN Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’ndeki (DMSE) doktora tezinin bir parçası olarak geliştiren Philipp Simons, “Glikoz vücudun her yerindedir ve fikir bu hazır enerjiyi toplamak ve implante edilebilir cihazlara güç sağlamak için kullanmaktır” diyor.
“Çalışmalarımızda yeni bir glikoz yakıt hücresi elektrokimyası gösteriyoruz.”
Simons’un tez danışmanı Jennifer L. M. Rupp, “Bir implantın hacminin yüzde 90’ını alabilen bir pil kullanmak yerine, ince bir filme sahip bir cihaz yapabilir ve hacimsel ayak izi olmayan bir güç kaynağınız olur” diyor. ayrıca Almanya’daki Münih Teknik Üniversitesi’nde katı hal elektrolit kimyası doçenti.
Yeni yakıt hücresi için ilham kaynağına sebep 2016 yılında Rupp’un hamileliğinin sonuna doğru rutin bir glikoz testi sırasında oluştu. Kendisi seramik ve elektrokimyasal cihazlar konusunda uzmanlaşmış.
Rupp, “Doktorun ofisinde, şeker ve elektrokimya ile neler yapabileceğinizi düşünerek çok sıkılmış bir elektrokimyacıydım” diye hatırlıyor.
“Sonra fark ettim ki, glikozla çalışan bir katı hal cihazına sahip olmak iyi olurdu. Philipp ve ben kahve içerken tanıştık ve ilk çizimleri bir peçeteye yazdık.”
Ekip, başlangıçta 1960’larda tanıtılan ve glikozun kimyasal enerjisini elektrik enerjisine dönüştürme potansiyeli gösteren bir glikoz yakıt hücresini ilk düşünen kişi değil.
Ancak o zamanki glikoz yakıt hücreleri yumuşak polimerlere dayanıyordu ve tıbbi implantlar, özellikle de kalp pili için standart güç kaynağı haline gelecek olan lityum-iyodür piller tarafından hızla gölgede bırakıldı.
Bununla birlikte, pillerin, tasarımları enerji depolamak için fiziksel kapasite gerektirdiğinden, ne kadar küçük yapılabilecekleri konusunda bir sınırı vardır.
Rupp, “Yakıt hücreleri, bir cihazda depolamak yerine enerjiyi doğrudan dönüştürür, bu nedenle enerjiyi bir bataryada depolamak için gereken tüm bu hacme ihtiyacınız yoktur” diyor.
Son yıllarda, bilim adamları glikoz yakıt hücrelerine doğrudan vücudun bol miktarda glikozu tarafından beslenen potansiyel olarak daha küçük güç kaynakları olarak bir kez daha bakmışlardır.
Bir glikoz yakıt hücresinin temel tasarımı üç katmandan oluşur: bir üst anot, bir orta elektrolit ve bir alt katot. Anot vücut sıvılarında glikoz ile reaksiyona girerek şekeri glukonik aside dönüştürür.
Bu elektrokimyasal dönüşüm bir çift proton ve bir çift elektron açığa çıkarır.
Orta elektrolit, protonları elektronlardan ayırmak için hareket eder, protonları yakıt hücresinden geçirir, burada su molekülleri oluşturmak için hava ile birleşirler.
Bu arada, izole edilmiş elektronlar, bir elektronik cihaza güç sağlamak için kullanılabilecekleri harici bir devreye akarlar.
Ekip, genellikle polimerlerden yapılan elektrolit tabakasını değiştirerek mevcut malzemeleri ve tasarımları geliştirmeye çalıştı.
Ancak polimer özellikleri, protonları iletme kabiliyetleri ile birlikte, yüksek sıcaklıklarda kolayca bozunur, nanometre boyutuna küçültüldüğünde tutulması zordur ve sterilize edilmesi zordur.
Araştırmacılar, protonları doğal olarak iletebilen ısıya dayanıklı bir malzeme olan bir seramiğin glikoz yakıt hücreleri için bir elektrolit haline getirilebileceğini merak ettiler.
Rupp, “Böyle bir glikoz yakıt hücresi için seramikleri düşündüğünüzde, uzun vadeli stabilite, küçük ölçeklenebilirlik ve silikon çip entegrasyonu avantajına sahipler” diyor. “Sabit ve sağlam yapıyorlar.”
Araştırmacılar, yüksek iyon iletkenliğine sahip, mekanik olarak sağlam olan ve bu nedenle hidrojen yakıt hücrelerinde elektrolit olarak yaygın olarak kullanılan seramik bir malzeme olan ceria’dan yapılmış bir elektrolit içeren bir glikoz yakıt hücresi tasarladılar. Ayrı tasarlanan bu parça biyouyumlu.
Simons, “Ceria, kanser araştırma topluluğunda aktif olarak çalışılıyor” diyor. “Aynı zamanda diş implantlarında kullanılan ve biyouyumlu ve güvenli olan zirkonyaya benzer.”
Ekip, elektroliti, glikozla kolayca reaksiyona giren stabil bir malzeme olan platinden yapılmış bir anot ve katotla sıkıştırdı.
Her biri yaklaşık 400 nanometre ince ve yaklaşık 300 mikrometre genişliğinde (yaklaşık 30 insan kılının genişliği) bir çip üzerinde 150 ayrı glikoz yakıt hücresi ürettiler.
Hücreleri silikon gofretler üzerine desenlendirdiler ve cihazların ortak bir yarı iletken malzeme ile eşleştirilebileceğini gösterdiler.
Daha sonra, özel olarak üretilmiş bir test istasyonunda her bir hücre tarafından üretilen akımı ölçtüler. Birçok hücrenin yaklaşık 80 milivolt’luk bir tepe voltajı ürettiğini buldular.
Her hücrenin küçük boyutu göz önüne alındığında, bu çıktı mevcut herhangi bir glikoz yakıt hücresi tasarımının en yüksek güç yoğunluğu ortaya çıkıyordu.
Simons, “Heyecan verici bir şekilde, implante edilebilir cihazlara güç sağlamak için yeterli güç ve akım çekebiliyoruz” diyor.
Rupp, “Elektroseramik malzemelerdeki proton iletiminin, yeni bir elektrokimya türünü tanımlayan glikozdan güce dönüşüm için kullanılabileceği ilk kez” diyor. “Hidrojen yakıt hücrelerinden yeni, heyecan verici glikoz dönüşüm modlarına kadar malzeme kullanım durumlarını genişletiyor.”
Norveç’teki Oslo Üniversitesi’nde kimya profesörü olan ve çalışmaya katkıda bulunmayan Truls Norby, araştırmacılar “implante sensörler ve belki de diğer işlevler için minyatür güç kaynaklarına yeni bir yol açıldı” diyor.
“Kullanılan seramikler toksik değildir, ucuzdur ve implantasyondan önce hem vücuttaki koşullara hem de sterilizasyon koşullarına en az inert değildir. Şimdiye kadarki konsept ve gösteri gerçekten umut verici.”
Kaynak: news.mit.edu
