葡萄糖产生的电?研究人员寻求植入设备的高效供电

在下面的生物工程实验室科罗拉多州儿童医院在美国，糖水从烧杯流入连接着电线的面包盒大小的装置，发出轻柔的汩汩声。这种装置很小，也不吉利，但正在进行的“能量收割”为数百万使用植入设备(包括起搏器、神经刺激器和假肢设备)的人提供了巨大的潜力。

理查德堰，博士，主任韦尔生物机电发展实验室他是哈佛大学的副研究教授科罗拉多大学医学院他是落基山地区退伍军人医疗中心的职业科学家，他和托马斯·DiSorbo博士解释道生物工程“目前，我们正在研究糖水——血液中葡萄糖浓度的葡萄糖水。这是第一步，看看我们能从这样的系统中提取什么，在电力方面。”

葡萄糖，一种可再生能源

该系统是一种燃料电池，利用葡萄糖发电，葡萄糖是一种可再生能源，在血液中不断流动。Weir和DiSorbo合作开发了一种生物相容性燃料电池约翰Pellegrino，博士，以及雅各Segil他是科罗拉多大学博尔德分校的机械工程研究教授。的协作小组前期工作发表于电源杂志去年夏天。

DiSorbo说，传统上，酶被用于消耗葡萄糖的燃料电池，以促进发电，但蛋白质的保质期很短。

DiSorbo说:“催化剂和膜技术的最新发展使我们能够产生足够的能量，从非生物的角度来看。”“当我们可以使用完全非生物燃料电池时，它的使用时间会更长。这是令人兴奋的，因为我们正试图让燃料电池发电到一个相关的程度”，并对依赖电力来操作他们的植入设备的人长期有用。

标准电池也面临局限性:锂离子电池含有有毒物质，如果泄漏到体内，它们的寿命是有限的，除非植入一个有利于无线充电的区域。然而，感应充电是一个耗时的过程。此外，当心脏起搏器等设备的电池电量耗尽时，更换手术既昂贵又有潜在危险。

希望消除电池限制

因此，这种双校区合作的最终目标是通过创造一种从血糖中提取可靠强电流的设备来消除当前的电池限制。通过这样做，它有可能无限期地延长电池的寿命。

威尔说:“接受手术更换心脏起搏器电池的人可能不再需要它了，因为有了它，你就可以一直用血液为它充电。”“它有更有趣的更广泛的可能性，甚至不仅仅是作为内部电源。在医疗方面有一些更广泛的平台和应用。”

他说，其中一种可能性是:使用燃料电池虹吸血液中的葡萄糖，这将使糖尿病患者更好地调节他们的血糖。

“魔法是膜”

那么，实验室里的机制是如何从葡萄糖中获取能量的呢?这是一个复杂的过程，但“神奇的是膜，”威尔说。佩莱格里诺的实验室对这种薄膜进行了微调，它被碳纤维布夹在中间，上面覆盖着一层薄薄的铂粉。这种铂是驱动化学反应的催化剂材料:一方面是葡萄糖的氧化，另一方面是水和氧的还原成氢氧根离子。

“这种膜对氢氧根等离子具有选择性。它让我们创造了一个电荷不平衡，我们用来分流电力，”Disorbo说。Weir补充说:“电子在穿过电线和电子元件时脱落，它们为设备供电。”

下一个:生物液体测试

他们的工作包括探索最佳的膜参数，并优化体内血糖和pH值水平的膜。接下来，燃料电池将被压成一个紧凑的单元——大约两个aa电池的大小——并用生物液体进行测试，看看能收集多少能量。液体可能是牛血或猪血。

Weir笑着说:“当我们开始研究真正的血液及其相关问题时——凝血和身体防御机制对异物的主动攻击——我们就进入了一个痛苦的世界。”

研究人员目前设置的一个优点是，用于糖水测试的泵准确地模拟了人体的血液流速，并且不会损害血小板。

其他项目

Weir实验室的大部分工作都集中在改进用于假体装置的技术．韦尔对这一领域的兴趣与他来自一个医学和工程专业人士的家庭有关。此外，他的双胞胎妹妹在5岁时因割草机事故失去了一只手。

他从不回避潜入生物工程中一些最具挑战性的领域:创造神经和肌肉接口，驱动复杂的假肢设备，提供前所未有的运动范围。

非生物燃料电池项目，由一个美国退伍军人事务部格兰特，同样推动了当前设备操作标准的边界。

Weir说，虽然要使能量收集燃料电池安全并优化为人类使用还面临许多挑战，但“在这条路上有一些有趣的可能性。”

上图:Richard Weir博士和Thomas DiSorbo博士在科罗拉多儿童医院的实验室里。