Una célula de biocombustible alimentada con glucosa que usa electrodos hechos de fibra de algodón algún día podría ayudar a alimentar dispositivos médicos implantables como marcapasos y sensores. La nueva célula de combustible, que proporciona el doble de energía que las células de biocombustible convencionales, podría combinarse con baterías osupercondensadores para proporcionar una fuente de alimentación híbrida para los dispositivos médicos.
Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad de Corea utilizaron nanopartículas de oro ensambladas en el algodón para crear electrodos de alta conductividad que ayudaron a mejorar la eficiencia de las celdas de combustible. Eso les permitió abordar uno de los principales desafíos que limitan el rendimiento de las celdas de biocombustibles:- conectar la enzima utilizada para oxidar la glucosa con un electrodo.
Una técnica de ensamblaje capa por capa utilizada para fabricar los electrodos de oro, que proporcionan tanto el cátodo electrocatalítico como el sustrato conductor para el ánodo, ayudó a aumentar la capacidad de potencia hasta 3.7 milivatios por centímetro cuadrado.la investigación se informó el 26 de octubre en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
"Podríamos usar este dispositivo como una fuente de energía continua para convertir la energía química de la glucosa en el cuerpo en energía eléctrica", dijo Seung Woo Lee, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff de Georgia Tech. "La técnica de deposición de capas controla con precisión la deposición tanto de la nanopartícula de oro como de la enzima, aumentando drásticamente la densidad de potencia de esta pila de combustible ".
La fabricación de los electrodos comienza con una fibra de algodón porosa compuesta de múltiples microfibrillas hidrófilas: fibras de celulosa que contienen grupos hidroxilo. Las nanopartículas de oro de aproximadamente ocho nanómetros de diámetro se ensamblan en las fibras utilizando materiales de unión orgánicos.
Para crear el ánodo para oxidar la glucosa, los investigadores aplican la enzima glucosa oxidasa en capas alternando con una molécula pequeña funcionalizada con amina conocida como TREN. El cátodo, donde tiene lugar la reacción de reducción de oxígeno, usó los electrodos cubiertos de oro, quetener capacidades electrocatalíticas.
"Controlamos con precisión la carga de la enzima", dijo Lee. "Producimos una capa muy delgada para que se mejore el transporte de carga entre el sustrato conductor y la enzima. Hemos hecho una conexión muy estrecha entre los materiales para que elel transporte de electrones es más fácil "
La porosidad del algodón permitió un aumento en el número de capas de oro en comparación con una fibra de nylon. "El algodón tiene muchos poros que pueden apoyar la actividad en los dispositivos electroquímicos", explicó Yongmin Ko, miembro de la facultad visitante y uno de los colaboradores del periódico.-autores. "La fibra de algodón es hidrofílica, lo que significa que el electrolito moja fácilmente la superficie".
Más allá de mejorar la conductividad de los electrodos, la fibra de algodón podría mejorar la biocompatibilidad del dispositivo, que está diseñado para funcionar a baja temperatura para permitir su uso dentro del cuerpo.
Las células de biocombustible implantables sufren degradación con el tiempo, y la nueva célula desarrollada por el equipo de EE. UU. Y Corea ofrece una estabilidad mejorada a largo plazo. "Tenemos un rendimiento récord de alta potencia, y la vida útil debería mejorarse para aplicaciones biomédicas como marcapasos", Dijo Lee.
Los marcapasos y otros dispositivos implantables ahora funcionan con baterías que duran años, pero aún pueden requerir reemplazo en un procedimiento que requiere cirugía. La celda de biocombustible podría proporcionar una carga continua para esas baterías, extendiendo potencialmente el tiempo que los dispositivos pueden funcionar sin bateríareemplazo, agregó Lee.
Además, la celda de biocombustible podría usarse para alimentar dispositivos destinados a un uso temporal. Dichos dispositivos podrían implantarse para proporcionar la liberación programada de un medicamento, pero se biodegradarían con el tiempo sin necesidad de extracción quirúrgica. Para estas aplicaciones, no se necesitaría bateríaincluido, y la energía limitada requerida podría ser provista por la celda de biocombustible.
Los objetivos futuros de la investigación incluyen demostrar el funcionamiento de la celda de biocombustible con un dispositivo de almacenamiento de energía y el desarrollo de una fuente de energía implantable funcional. "Queremos desarrollar otras aplicaciones biológicas para esto", dijo Lee. "Nos gustaríavaya más allá con otras aplicaciones, incluidas las baterías y el almacenamiento de alto rendimiento "
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Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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