Современная медицинская наука совершила значительный прорыв в разработке имплантируемых устройств. Эти инновации открывают потрясающие возможности для восстановления работы поврежденных органов, включая сердце и головной мозг. Тем не менее, существенным ограничением традиционных имплантатов остаются литий-ионные батареи как источник энергии. Их недостатки очевидны — большие размеры, наличие токсичных компонентов и необходимость хирургической замены.
Настоящим технологическим прорывом обещает стать ферментный биотопливный элемент (ФБТЭ). Это инновационный электрогенератор, способный непрерывно вырабатывать энергию, используя естественные ресурсы организма пациента. Такие долговечные нейроинтерфейсы найдут широкое применение в лечении различных нейродегенеративных заболеваний, включая болезни Альцгеймера, Паркинсона и эпилепсию.
Человеческий организм — удивительная энергетическая система, генерирующая механическую энергию через дыхание, сердцебиение и мышечные сокращения, а также тепловую и биохимическую энергию. Современная наука активно исследует эти возможности. Уже созданы устройства, использующие фотоэмиссионный эффект и термоэлектрические преобразования, хотя пока процесс преобразования энергии требует дальнейшего совершенствования.
Инновационный ферментный биотопливный элемент предлагает революционное решение — стабильное преобразование химической энергии в электричество путем окисления глюкозы, содержащейся в физиологических жидкостях организма.
Глюкоза — идеальный источник энергии, естественным образом присутствующий в организме. Благодаря гомеостазу ее концентрация поддерживается на оптимальном уровне. Минимальное потребление глюкозы биотопливным элементом никак не влияет на естественный баланс, что делает возможным создание имплантатов для пожизненного использования.
Екатерина Вахницкая, магистрантка МФТИ, поделилась достижениями исследовательской группы: «Мы разработали революционный метод получения электроэнергии внутри организма за счет окисления глюкозы. Это позволяет создавать нейроимпланты с природным источником энергии вместо традиционных батарей, требующих регулярной замены. Наша технология универсальна — она подходит для кардиостимуляторов, нейростимуляторов и слуховых имплантов. Особенно важно, что мы научились использовать глюкозу из спинномозговой жидкости. Успешные испытания на лабораторных животных открывают путь к тестированию на более крупных млекопитающих».
Компактная конструкция биотопливного элемента включает два микроэлектрода. На аноде происходит ферментативное расщепление глюкозы с образованием протонов и электронов, а на катоде — восстановление кислорода с участием этих частиц через электролит и внешнюю цепь.
Исследователи сконцентрировались на повышении эффективности электродов для оптимизации окислительно-восстановительной реакции. В работе применяются инновационные композитные материалы, включая многостенные углеродные нанотрубки — цилиндрические структуры из свернутых углеродных атомов.
По словам Екатерины, структура композитного материала с последовательно нанесенными компонентами обеспечивает оптимальные характеристики анода. Углеродные нанотрубки увеличивают площадь поверхности и электропроводимость, позволяя закрепить больше фермента и повысить мощность устройства.
«Разработанный нами композитный анод решает ключевую проблему — удержание фермента. Он предотвращает его диффузию в биологические жидкости благодаря специальной структуре из полимеров и углеродных материалов. Проведенные измерения подтвердили стабильность мощности элемента, что доказывает надежность иммобилизации фермента», — отметила исследовательница.
При создании мощного биотопливного элемента особое внимание уделяется ключевым параметрам — выходному напряжению и удельной мощности источника питания.
Результаты экспериментов впечатляют: имплантированные электроды продемонстрировали максимальную удельную мощность 51,8 мВт/см2 и потенциал открытой цепи 200 мВ. Эти показатели подтверждают перспективность использования устройства как долговременного источника питания для нейростимуляторов, а применение электропроводящих углеродных наноматериалов открывает новые горизонты в их производстве.
