體內葡萄糖可以發電？功率密度超高超薄葡萄糖燃料電池

　　麻省理工的科學家們開發了一種僅400納米厚(發絲的1/100厚)的超薄葡萄糖燃料電池，每平方厘米能產生43微瓦電能，是目前環境條件下葡萄糖燃料電池中功率密度最高的。可耐受600攝氏度高溫滅菌，可以覆膜形式幾乎不占體積地為微型植入物和傳感器提供驅動能量。

　　葡萄糖是我們從吃的食物中吸收的糖。它是我們身體里每個細胞的能量來源。葡萄糖還能為未來的醫療植入物提供能量嗎?

　　麻省理工學院和慕尼黑技術大學的工程師們認為可以。他們設計了一種新型的葡萄糖燃料電池，可以將葡萄糖直接轉化為電能。該裝置比其他提出的葡萄糖燃料電池更小，只有400納米厚，大約是人類頭發直徑的1/100，每平方厘米能產生43微瓦的電能，是目前在環境條件下葡萄糖燃料電池中功率密度最高的。這種新設備也很有彈性，能夠承受高達600攝氏度的溫度。如果與醫用植入物結合，燃料電池可以通過所有植入裝置所需的高溫滅菌過程并保持穩定。

　　新裝置的核心是由陶瓷制成的，這種材料即使在高溫和微縮尺寸下也能保持其電化學特性。研究人員設想，這種新設計可以制成超薄薄膜或涂層，包裹在植入物周圍，利用人體豐富的葡萄糖供應為電子設備供電。

　　“葡萄糖在體內無處不在，我們的想法是收集這些現成的能量，并用它為可植入設備供電，”Philipp Simons說，他在麻省理工學院材料科學與工程系(DMSE)開發了這一設計，作為他的博士論文的一部分。“我們展示了一種新的葡萄糖燃料電池的電化學。”

　　“常規電池可能要占據植入設備90%的體積，作為替代，你可以這種新電源制作一個帶有薄膜的設備，電源幾乎不占什么體積。”Simons的論文導師、DMSE客座教授、德國慕尼黑工業大學固態電解質化學副教授Jennifer L.M. Rupp說。

　　Simons和他的同事在《Advanced Materials》雜志上詳細介紹了他們的設計。這項研究的共同作者包括Rupp、Steven Schenk、Marco Gysel和Lorenz Olbrich。

　　靈感來源

　　這種新型燃料電池的靈感來自于2016年，當時專攻陶瓷和電化學設備的Rupp在懷孕快結束時去做了一次常規葡萄糖測試。

　　“在醫生的辦公室里，我是一個非常無聊的電化學專家，想著糖和電化學能做些什么，”Rupp回憶說。“然后我意識到，有一個葡萄糖驅動的固態設備會很好。Philipp和我在喝咖啡時相遇，在一張餐巾紙上寫下了最初的畫。”

　　這個團隊并不是第一個設想葡萄糖燃料電池的人，葡萄糖燃料電池最初是在20世紀60年代推出的，顯示出將葡萄糖的化學能轉化為電能的潛力。但當時的葡萄糖燃料電池是基于軟聚合物，很快就被鋰碘電池所取代，而鋰碘電池將成為醫療植入物的標準電源，尤其是心臟起搏器。然而，電池的尺寸有限，因為它們的設計需要存儲能量的物理容量。

　　Rupp說:“燃料電池直接轉換能量，而不是將其存儲在設備中，所以你不需要在電池中存儲能量所需的所有體積。”

　　近年來，科學家們重新審視了葡萄糖燃料電池，認為它可能是一種更小的能源，可以直接由人體豐富的葡萄糖提供能量。

　　葡萄糖燃料電池的基本設計包括三層:頂部陽極、中間電解質和底部陰極。陽極與體液中的葡萄糖發生反應，將葡萄糖轉化為葡萄糖酸。這種電化學轉換會釋放一對質子和一對電子。中間的電解質將質子與電子分開，引導質子通過燃料電池，在那里它們與空氣結合形成水分子——一種無害的副產物，隨體液流走。與此同時，被隔離的電子流向外部電路，在那里它們可以用來為電子設備供電。

　　該團隊希望通過修改電解液層來改進現有的材料和設計，電解液層通常由聚合物制成。但是聚合物的特性，以及它們引導質子的能力，在高溫下很容易降解，當縮小到納米尺寸時很難保持，而且很難消毒。研究人員想知道一種陶瓷——一種可以自然地引導質子的耐熱材料——能否被制成葡萄糖燃料電池的電解質。Rupp指出:“當你想到用陶瓷制造這樣的葡萄糖燃料電池時，它們具有長期穩定、可擴展性小和集成硅芯片的優勢。”“它們堅硬而堅固。”

　　峰值功率

　　研究人員設計了一種葡萄糖燃料電池，其電解質由二氧化鈰制成，二氧化鈰是一種陶瓷材料，具有高的離子導電性，機械性能良好，因此被廣泛用作氫燃料電池的電解質。它也被證明具有生物相容性。

　　西蒙斯指出:“癌癥研究界正在積極研究二氧化鈰。”“它也類似于用于牙齒種植的氧化鋯，具有生物相容性和安全性。”

　　研究小組將電解液與由鉑制成的陽極和陰極夾在一起，鉑是一種很容易與葡萄糖反應的穩定材料。他們在一個芯片上制造了150個單獨的葡萄糖燃料電池，每個大約400納米薄，300微米寬(大約30根人類頭發的寬度)。他們在硅晶片上繪制了這些電池的圖案，表明這些器件可以與一種普通的半導體材料配對。然后，他們在一個定制的測試臺上，測量了當葡萄糖溶液流經每個晶圓時，每個電池產生的電流。

　　他們發現許多電池產生的峰值電壓約為80毫伏。考慮到每個電池的微小尺寸，這是現有葡萄糖燃料電池設計中最高的功率密度。

　　“令人興奮的是，我們能夠獲得足夠的能量和電流來驅動可植入設備，”Simons說。

　　Rupp說:“這是第一次將電陶瓷材料中的質子傳導用于葡萄糖功率轉換，定義了一種新型的電化學。”“它將材料的使用案例從氫燃料電池擴展到新的、令人興奮的葡萄糖轉換模式。”

　　挪威奧斯陸大學的化學教授Truls Norby說，研究人員“開辟了一條用于植入傳感器或其他功能的微型電源的新途徑”，他沒有參與這項工作。“所用的陶瓷無毒、廉價，而且對體內條件和植入前的滅菌條件都是惰性的。到目前為止，概念和演示確實很有前途。”

　　參考文獻：A Ceramic‐Electrolyte Glucose Fuel Cell for Implantable Electronics