Glikoz, yediğimiz gıdalardan aldığımız şekerdir. Vücudumuzdaki her hücreye güç veren yakıttır. Glikoz, yarının tıbbi implantlarına da güç verebilir mi? MIT ve Münih Teknik Üniversitesi’ndeki mühendisler; glikozu doğrudan elektriğe dönüştüren yeni bir tür glikoz yakıt hücresi tasarladılar. Cihaz, önerilen diğer glikoz yakıt hücrelerinden daha küçüktür ve sadece 400 nanometre kalınlığında veya insan saçının yaklaşık 1/100’ü çapındadır. Şekerli güç kaynağı, ortam koşullarında bugüne kadar herhangi bir glikoz yakıt hücresinin en yüksek güç yoğunluğunu elde ederek, elektrik santimetre kare başına yaklaşık 43 mikrowatt üretir. Yeni cihaz aynı zamanda esnektir ve 600 santigrat dereceye kadar sıcaklıklara dayanabilir. Bir tıbbi implanta dahil edilirse, yakıt hücresi, tüm implante edilebilir cihazlar için gerekli olan yüksek sıcaklıkta sterilizasyon süreci boyunca stabil kalabilir. Yeni cihazın kalbi; yüksek sıcaklıklarda ve minyatür ölçeklerde bile elektrokimyasal özelliklerini koruyan bir malzeme olan seramikten yapılmıştır. Araştırmacılar, yeni tasarımın ultra ince filmlere veya kaplamalara yapılabileceğini ve vücudun bol miktarda glikoz kaynağı kullanılarak pasif olarak elektroniklere güç sağlamak için implantların etrafına sarılabileceğini düşünüyorlar.
MIT Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü Araştırmacı Philipp Simons: “Glikoz vücudun her yerindedir ve fikir, bu hazır enerjiyi toplamak ve implante edilebilir cihazlara güç sağlamak için kullanmaktır. Çalışmamızda yeni bir glikoz yakıt hücresi elektrokimyası gösteriyoruz. Bir implantın hacminin yüzde 90’ını kaplayabilen bir pil kullanmak yerine, ince filmli bir cihaz yapabilir ve hacimsel ayak izi olmayan bir güç kaynağına sahip olabilirsiniz.”
Yeni yakıt hücresi için ilham, 2016 yılında seramik ve elektrokimyasal cihazlarda uzman olan Rupp’un hamileliğinin sonlarına doğru rutin bir glikoz testi yaptırmaya gittiği zaman geldi.
Rupp: “Doktorun muayenehanesinde şeker ve elektrokimya ile neler yapabileceğinizi düşünen çok sıkılmış bir elektrokimyacıydım. Sonra anladım ki, glikozla çalışan bir katı hal cihazına sahip olmak iyi olurdu. Philipp ve ben kahve içerken buluştuk ve ilk çizimleri bir peçeteye yazdık.”
Ekip, ilk olarak 1960’larda tanıtılan ve glikozun kimyasal enerjisini elektrik enerjisine dönüştürme potansiyeli gösteren bir glikoz yakıt hücresini tasarlayan ilk kişi değil. Ancak o zamanlar 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, tasarımları enerji depolamak için fiziksel kapasiteyi gerektirdiğinden, pillerin ne kadar küçük yapılabileceği konusunda bir sınırı vardır.
Araştırmacı Rupp: “Yakıt hücreleri, enerjiyi bir cihazda depolamak yerine doğrudan dönüştürür, bu nedenle bir pilde enerji depolamak için gereken tüm hacme ihtiyacınız olmaz.”
Son yıllarda, bilim insanları, doğrudan vücudun bol miktarda glikozuyla beslenen, potansiyel olarak daha küçük güç kaynakları olarak glikoz yakıt hücrelerine bir kez daha baktılar. 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 elektronu serbest bırakır. Orta elektrolit, protonları elektronlardan ayırarak, protonları yakıt hücresinden geçirir ve burada hava ile birleşerek su moleküllerini oluşturur (vücut sıvısıyla birlikte akan zararsız bir yan ürün…) Bu arada, izole edilmiş elektronlar, bir elektronik cihaza güç sağlamak için kullanılabilecekleri bir harici devreye akar. Ekip, genellikle polimerlerden yapılan elektrolit katmanını değiştirerek mevcut malzemeleri ve tasarımları iyileştirmeye çalıştı. Ancak polimer özellikleri, protonları iletme yetenekleriyle birlikte, yüksek sıcaklıklarda kolayca bozulur, nanometre boyutuna küçültüldüğünde muhafaza edilmesi ve sterilize edilmesi zordur. Araştırmacılar, doğal olarak protonları iletebilen ısıya dayanıklı bir malzeme olan seramiğin, glikoz yakıt hücreleri için bir elektrolit haline getirilip getirilemeyeceğini merak ettiler.
Rupp, “Böyle bir glikoz yakıt hücresi için seramikleri düşündüğünüzde, uzun vadeli stabilite, küçük ölçeklenebilirlik ve silikon çip entegrasyonu avantajlarına sahipler… Sert ve sağlamlar…”
Araştırmacılar, yüksek iyon iletkenliğine sahip, mekanik olarak sağlam ve bu nedenle hidrojen yakıt hücrelerinde elektrolit olarak yaygın olarak kullanılan seramik bir malzeme olan seryumdan yapılmış elektrolit içeren bir glikoz yakıt hücresi tasarladılar. Ayrıca biyouyumlu olduğu da gösterilmiştir.
Ekip, elektroliti, glikoz ile kolayca reaksiyona giren stabil bir malzeme olan platinden yapılmış bir anot ve katot ile sandviçledi. Her biri yaklaşık 400 nanometre kalınlığında ve yaklaşık 300 mikrometre genişliğinde (yaklaşık 30 insan saçı genişliğinde) bir çip üzerinde 150 ayrı glikoz yakıt hücresi ürettiler. Hücreleri silikon gofretler üzerine modelleyerek cihazların ortak bir yarı iletken malzeme ile eşleştirilebileceğini gösterdiler. Daha sonra, özel olarak üretilmiş bir test istasyonunda her bir gofret üzerinde bir glikoz çözeltisi akıtırken her hücre tarafından üretilen akımı ölçtüler. Birçok hücrenin yaklaşık 80 milivoltluk bir tepe voltajı ürettiğini buldular. Her hücrenin küçük boyutu göz önüne alındığında, bu çıktı, mevcut herhangi bir glikoz yakıt hücresi tasarımının en yüksek güç yoğunluğudur.
Araştırmacı Simons: “Heyecan verici bir şekilde, implante edilebilir cihazlara güç sağlamak için yeterli güç ve akım çekebiliyoruz”
Araştırmacı Rupp: “Elektroseramik malzemelerdeki proton iletiminin glikozdan güce dönüşüm için kullanılabileceği ilk kez, yeni bir elektrokimya türü tanımlanıyor. Madde kullanım durumlarını hidrojen yakıt hücrelerinden yeni, heyecan verici glikoz dönüşüm modlarına kadar genişletiyor.”
Comments