В лаборатории биоэлектроники Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий работают над созданием биоэлектрохимических источников питания для имплантируемых медицинских устройств.
Использование подобных устройств в медицинской практике постоянно расширяется. И это не только широко применяемые кардиостимуляторы, но и приборы для стимуляции головного мозга, которые помогают пациентам с нейродегенеративными и неврологическими заболеваниями. Например, способствуют улучшению двигательных функций при болезни Паркинсона, помогают стабилизировать нейрокогнитивные функции у пациентов с болезнью Альцгеймера, облегчают последствия приступов у больных эпилепсией. Эти устройства работают на аккумуляторах, периодически требующих замены. Но в перспективе на смену аккумуляторам могут прийти биотопливные элементы (БТЭ), вырабатывающие электричество из содержащейся в организме человека глюкозы.
Биотопливные элементы состоят из двух микроэлектродов. На аноде фермент расщепляет глюкозу с образованием протонов, электронов и других продуктов реакции, на катоде происходит реакция восстановления кислорода. Задача учёных — добиться высокой эффективности БТЭ. Для этого используются различные методы увеличения площади поверхности электродов, а также создаются наиболее подходящие для них материалы.
Исследователи НИЦ «Курчатовский институт» использовали при разработке электрода биотопливного элемента многостенные углеродные нанотрубки — искусственно созданные из атомов углерода полые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров.
«Основная задача при разработке БТЭ — обеспечить перенос электронов с фермента на электрод. Поэтому электрод должен быть изготовлен из материала с хорошей электропроводностью и иметь большую площадь поверхности. Мы нанесли на поверхность электрода многостенные нанотрубки: они увеличивают площадь контакта между субстратом и ферментом и обладают исключительными механическими и электрическими свойствами. Это повлияло на плотность тока», — сообщила Екатерина Вахницкая, лаборант-исследователь лаборатории биоэлектроники.
Электрохимические характеристики устройства исследователи проверили на лабораторных животных. Электроды имплантировали в голову крыс и провели электрохимические измерения. По словам учёных, полученной мощности от 16,3 до 51,8 мкВт/см2 достаточно для энергоснабжения нейростимулирующих имплантов. Эти результаты демонстрируют возможность разработки БТЭ, вырабатывающих электричество при имплантации в голову млекопитающих.
Статья, написанная с участием сотрудника МФТИ, опубликована в IEEE Xplore.
Следующий этап работы — эксперименты по длительной имплантации биотопливных элементов в лабораторных животных. После этого предстоят их доклинические исследования на лабораторных животных.
Источник: Курчатовский институт.