棉花的混合生物燃料电池，可为植入式医疗设备提供动力？

材料科学：棉花的混合生物燃料电池，可为植入式医疗设备提供动力？

使用棉纤维制成的电极的葡萄糖动力生物燃料电池有朝一日可以为植入式医疗设备和传感器提供动力。新型燃料电池的功率是传统生物燃料电池的两倍，可与电池或超级电容器配对，为医疗设备提供混合动力源。

佐治亚理工学院和韩国大学的研究人员使用在棉花上组装的金纳米粒子来制造高电导率电极，这有助于提高燃料电池的效率。这使他们能够解决限制生物燃料电池性能的主要挑战之一-将用于氧化葡萄糖的酶与电极连接起来。

阿层用于制造金电极-其提供两个电催化阴极和导电性基板逐层组装技术阳极帮助提高功率容量每平方厘米多达3.7毫瓦。研究结果于10月26日在NatureCommunications杂志上发表。

佐治亚理工学院伍德拉夫机械工程学院助理教授SeungWooLee说：“我们可以将这种装置用作连续动力源，将体内葡萄糖的化学能转化为电能。”“逐层沉积技术精确控制金纳米粒子和酶的沉积，大大提高了这种燃料电池的功率密度。”

电极的制造始于由多种亲水性微纤维-含有羟基的纤维素纤维组成的多孔棉纤维。然后使用有机连接材料将直径约8纳米的金纳米颗粒组装到纤维上。

为了产生氧化葡萄糖的阳极，研究人员将葡萄糖氧化酶分层交替使用称为TREN的胺官能化小分子。发生氧还原反应的阴极使用具有电催化能力的金覆盖电极。

“我们精确地控制了酶的加载，”Lee说。“我们生产了一层非常薄的层，以便改善导电基板和酶之间的电荷传输。我们在材料之间建立了非常紧密的连接，因此电子的传输更容易。”

与尼龙纤维相比，棉的孔隙率允许金层数量增加。“棉花有许多毛孔可以支持电化学装置的活动，”访问教授和该论文的共同作者之一YongminKo解释道。“棉纤维是亲水的，这意味着电解质很容易润湿表面。”

除了提高电极的导电性之外，棉纤维还可以改善设备的生物相容性，该设备设计为在低温下操作以允许在体内使用。

植入式生物燃料电池随着时间的推移而遭受退化，美国和韩国团队开发的新电池提供了改善的长期稳定性。“我们拥有创纪录的高功率性能，并且应该改善生命医学应用的寿命，例如心脏起搏器，”Lee说。

起搏器和其他可植入设备现在由电池供电，持续数年，但可能仍需要在需要手术的过程中进行更换。Lee补充说，生物燃料电池可以为这些电池提供连续充电，可能延长设备在没有电池更换的情况下运行的时间。

此外，生物燃料电池可用于为临时使用的设备供电。可以植入这样的装置以提供药物的定时释放，但是可以随时间生物降解而不需要手术移除。对于这些应用，不包括电池，并且生物燃料电池可以提供所需的有限功率。

该研究的未来目标包括用能量存储装置展示生物燃料电池的操作，以及功能性可植入电源的开发。“我们希望为此开发其他生物应用，”李说。“我们希望进一步推广其他应用，包括电池和高性能存储。”