En glukosdriven biobränslecell som använder elektroder tillverkade av bomullsfibrer kan en dag hjälpa till att driva implanterbara medicinska enheter som pacemaker och sensorer. Den nya bränslecellen, som ger dubbelt så mycket kraft som konventionella biobränsleceller, kan kopplas ihop med batterier eller superkondensatorer för att tillhandahålla en hybrid strömkälla för medicintekniska produkter.

Forskare vid Georgia Institute of Technology och Korea University använde guldnanopartiklar monterade på bomullen för att skapa elektroder med hög konduktivitet som bidrog till att förbättra bränslecellens effektivitet. Det gjorde det möjligt för dem att ta itu med en av de stora utmaningarna som begränsade biobränslecells prestanda - att ansluta enzymet som används för att oxidera glukos med en elektrod.

En lager-för-lager-monteringsteknik som används för att tillverka guldelektroderna-som tillhandahåller både den elektrokatalytiska katoden och det konduktiva substratet för anoden-bidrog till att öka effektkapaciteten till så mycket som 3,7 milliwatt per kvadratcentimeter. Resultaten av forskningen rapporterades 26 oktober i tidningen Naturkommunikation .

"Vi kan använda den här enheten som en kontinuerlig strömkälla för att omvandla kemisk energi från glukos i kroppen till elektrisk energi, "sa Seung Woo Lee, en biträdande professor i Georgia Tech's Woodruff School of Mechanical Engineering. "Skikt-för-lager-deponeringstekniken kontrollerar exakt avsättningen av både guldnanopartikeln och enzymet, kraftigt öka effekttätheten för denna bränslecell. "

Tillverkningen av elektroderna börjar med porös bomullsfiber som består av flera hydrofila mikrofibriller - cellulosafibrer som innehåller hydroxylgrupper. Guldnanopartiklar med cirka åtta nanometer i diameter monteras sedan på fibrerna med hjälp av organiska länkmaterial.

För att skapa anoden för att oxidera glukosen, forskarna applicerar glukosoxidasenzym i skikt alternerande med en aminfunktionaliserad liten molekyl som kallas TREN. Katoden, där syrereduktionsreaktionen äger rum, använde de guldtäckta elektroderna, som har elektrokatalytisk kapacitet.

"Vi kontrollerar exakt laddningen av enzymet, "Lee sa." Vi producerar ett mycket tunt lager så att laddningstransporten mellan det ledande substratet och enzymet förbättras. Vi har gjort en mycket nära koppling mellan materialen så att transporten av elektroner blir enklare. "

Bomullens porositet möjliggjorde en ökning av antalet guldskikt jämfört med en nylonfiber. "Bomull har många porer som kan stödja aktivitet i elektrokemiska enheter, "förklarade Yongmin Ko, en besökande fakultetsmedlem och en av tidningens medförfattare. "Bomullsfibrerna är hydrofila, vilket betyder att elektrolyten lätt väter ytan. "

Utöver att förbättra elektrodernas konduktivitet, bomullsfibrerna kan förbättra enhetens biokompatibilitet, som är utformad för att fungera vid låg temperatur för att tillåta användning inuti kroppen.

Implanterbara biobränsleceller lider av nedbrytning över tid, och den nya cellen som utvecklats av det amerikanska och koreanska teamet ger förbättrad långsiktig stabilitet. "Vi har rekordhög prestanda, och livslängden bör förbättras för biomedicinska applikationer som pacemaker, "Sa Lee.

Pacemaker och andra implanterbara enheter drivs nu av batterier som har hållit på i flera år, men kan fortfarande kräva ersättning i en procedur som kräver operation. Biobränslecellen kan ge en kontinuerlig laddning för dessa batterier, eventuellt förlänga tiden som enheter kan fungera utan batteribyte, Tillade Lee.

Dessutom, biobränslecellen kan användas för att driva enheter avsedda för tillfälligt bruk. Sådana anordningar kan implanteras för att ge tidsinställd frisättning av ett läkemedel, men skulle biologiskt nedbrytas med tiden utan att kräva kirurgiskt avlägsnande. För dessa applikationer, inget batteri skulle inkluderas, och den begränsade effekten som krävs kan tillhandahållas av biobränslecellen.

Framtida mål för forskningen inkluderar att demonstrera driften av biobränslecellen med en energilagringsanordning, och utveckling av en funktionell implanterbar strömkälla. "Vi vill utveckla andra biologiska tillämpningar för detta, "sa Lee." Vi skulle vilja gå längre med andra applikationer, inklusive batterier och högpresterande lagring. "