ซื้อกลับบ้านที่สำคัญ
- นักวิจัยของ MIT ได้พัฒนาเซลล์พลังงานใหม่ที่ทำงานโดยใช้กลูโคสในร่างกายของคุณ
- เซลล์สามารถขับเคลื่อนอุปกรณ์การแพทย์และช่วยเหลือผู้ที่ฝังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในร่างกายเพื่อความสะดวก
- อุปกรณ์ปลูกถ่ายต้องมีขนาดเล็กที่สุดเพื่อลดผลกระทบต่อผู้ป่วย
ร่างกายของคุณอาจเป็นแหล่งพลังงานสำหรับอุปกรณ์ในอนาคต
นักวิทยาศาสตร์ของ MIT ได้พัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้กลูโคสซึ่งสามารถเติมเชื้อเพลิงให้กับรากฟันเทียมขนาดเล็กและเซ็นเซอร์ได้อุปกรณ์วัดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1/100 ของเส้นผมมนุษย์ และสร้างกระแสไฟฟ้าได้ประมาณ 43 ไมโครวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร เซลล์เชื้อเพลิงอาจมีประโยชน์ในด้านการแพทย์และผู้คนจำนวนไม่มากแต่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ที่ฝังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในร่างกายเพื่อความสะดวก
"เซลล์เชื้อเพลิงกลูโคสจะมีประโยชน์ต่ออุปกรณ์ฝังเทียมโดยใช้เชื้อเพลิงที่หาได้ง่ายในร่างกาย" Philipp Simons ผู้พัฒนาการออกแบบนี้เป็นส่วนหนึ่งของปริญญาเอกของเขา วิทยานิพนธ์บอกกับ Lifewire ในการสัมภาษณ์ทางอีเมล "ตัวอย่างเช่น เรานึกภาพการใช้เซลล์เชื้อเพลิงกลูโคสของเราเพื่อให้พลังงานแก่เซ็นเซอร์ขนาดเล็กมากซึ่งวัดการทำงานของร่างกาย ลองนึกถึงการตรวจวัดระดับน้ำตาลในเลือดสำหรับผู้ป่วยโรคเบาหวาน การตรวจสภาพหัวใจ หรือการติดตามไบโอมาร์คเกอร์ที่ระบุวิวัฒนาการของเนื้องอก"
จิ๋วแต่แจ๋ว
ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงใหม่คือการออกแบบที่เล็กพอ Simons กล่าว เขาเสริมว่าอุปกรณ์ฝังต้องมีขนาดเล็กที่สุดเพื่อลดผลกระทบต่อผู้ป่วย
"ปัจจุบันแบตเตอรีมีขนาดเล็กมากน้อยแค่ไหน ถ้าคุณทำให้แบตเตอรีมีขนาดเล็กลง พลังงานที่สามารถจ่ายได้จะลดลง" ไซมอนส์กล่าว "เราได้แสดงให้เห็นแล้วว่าด้วยอุปกรณ์ที่บางกว่าเส้นผมมนุษย์ถึง 100 เท่า เราสามารถให้พลังงานเพียงพอที่จะจ่ายไฟให้กับเซ็นเซอร์ขนาดเล็กได้"
เมื่อพิจารณาว่าเซลล์เชื้อเพลิงของเรามีขนาดเล็กเพียงใด เราสามารถจินตนาการถึงอุปกรณ์ฝังรากเทียมที่มีขนาดใหญ่เพียงไม่กี่ไมโครเมตรได้
Simons และผู้ทำงานร่วมกันของเขาต้องสร้างอุปกรณ์ใหม่ให้สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้และมีความทนทานพอที่จะทนต่ออุณหภูมิได้สูงถึง 600 องศาเซลเซียส หากใช้ในการปลูกถ่ายทางการแพทย์ เซลล์เชื้อเพลิงจะต้องผ่านกระบวนการฆ่าเชื้อที่อุณหภูมิสูง
ในการค้นหาวัสดุที่ทนต่อความร้อนสูง นักวิจัยได้หันมาใช้เซรามิกซึ่งยังคงคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าไว้แม้ในอุณหภูมิสูง นักวิจัยมองว่าการออกแบบใหม่นี้สามารถทำเป็นฟิล์มบางเฉียบหรือสารเคลือบ และห่อหุ้มรากฟันเทียมเพื่อจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพาสซีฟ โดยใช้ปริมาณกลูโคสในร่างกายที่เพียงพอ
แนวคิดสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงใหม่เกิดขึ้นในปี 2559 เมื่อ Jennifer L. M. Rupp หัวหน้าวิทยานิพนธ์ของ Simons และศาสตราจารย์ MIT ซึ่งเชี่ยวชาญด้านเซรามิกและอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมี ไปทดสอบกลูโคสระหว่างตั้งครรภ์
"ในคลินิกของหมอ ฉันเป็นนักไฟฟ้าเคมีที่เบื่อมากๆ คิดว่าจะทำอะไรกับน้ำตาลและเคมีไฟฟ้าได้" Rupp กล่าวในการแถลงข่าว "จากนั้นฉันก็รู้ว่ามันคงจะดีถ้ามีอุปกรณ์โซลิดสเตตที่ใช้พลังงานกลูโคส และฟิลิปป์กับฉันได้พบกับกาแฟและเขียนภาพวาดแรกบนผ้าเช็ดปาก"
เซลล์เชื้อเพลิงกลูโคสเปิดตัวครั้งแรกในปี 1960 แต่รุ่นแรกนั้นมีพื้นฐานมาจากโพลีเมอร์ชนิดอ่อน แหล่งเชื้อเพลิงในยุคแรกเหล่านี้ถูกแทนที่ด้วยแบตเตอรี่ลิเธียมไอโอไดด์
"ปัจจุบันแบตเตอรี่มักถูกใช้เพื่อจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ฝังเทียม เช่น เครื่องกระตุ้นหัวใจ" ไซมอนส์กล่าว “อย่างไรก็ตาม ในที่สุดแบตเตอรี่เหล่านี้จะหมดพลังงาน ซึ่งหมายความว่าจำเป็นต้องเปลี่ยนเครื่องกระตุ้นหัวใจเป็นประจำนี่เป็นที่มาของความยุ่งยากจริงๆ"
อนาคตอาจเล็กและเทียมได้
ในการค้นหาสารละลายเซลล์เชื้อเพลิงที่สามารถคงอยู่ภายในร่างกายได้อย่างไม่มีกำหนด ทีมงานได้ประกบอิเล็กโทรไลต์กับแอโนดและแคโทดที่ทำจากแพลตตินั่ม ซึ่งเป็นวัสดุที่มีความเสถียรซึ่งจะทำปฏิกิริยากับกลูโคสได้ง่าย
ชนิดของวัสดุในเซลล์เชื้อเพลิงกลูโคสใหม่ช่วยให้มีความยืดหยุ่นในแง่ของตำแหน่งที่สามารถฝังในร่างกาย "ตัวอย่างเช่น มันสามารถทนต่อสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อนของระบบย่อยอาหาร ซึ่งสามารถเปิดใช้งานเซ็นเซอร์ใหม่เพื่อตรวจสอบโรคเรื้อรัง เช่น อาการลำไส้แปรปรวน" ไซมอนส์กล่าว
นักวิจัยนำเซลล์ไปวางบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน แสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์ดังกล่าวสามารถจับคู่กับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปได้ จากนั้นจึงวัดกระแสที่สร้างโดยแต่ละเซลล์ขณะที่ไหลสารละลายกลูโคสเหนือแผ่นเวเฟอร์แต่ละอันในสถานีทดสอบที่ประดิษฐ์ขึ้นเอง
เซลล์จำนวนมากผลิตแรงดันไฟฟ้าสูงสุดประมาณ 80 มิลลิโวลต์ ตามผลการวิจัยที่ตีพิมพ์ในบทความล่าสุดในวารสาร Advanced Materials นักวิจัยอ้างว่านี่คือความหนาแน่นพลังงานสูงสุดของการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงกลูโคสใดๆ
เซลล์เชื้อเพลิงกลูโคสมีประโยชน์ต่ออุปกรณ์ฝังเทียมโดยใช้เชื้อเพลิงที่หาได้ง่ายในร่างกาย
ทีม MIT ได้ "เปิดเส้นทางใหม่สู่แหล่งพลังงานขนาดเล็กสำหรับเซ็นเซอร์ที่ฝังและอาจทำหน้าที่อื่น ๆ " Truls Norby ศาสตราจารย์วิชาเคมีที่มหาวิทยาลัยออสโลในนอร์เวย์ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการทำงาน กล่าวในการแถลงข่าว "เซรามิกส์ที่ใช้นั้นปลอดสารพิษ ราคาถูก และไม่เฉื่อยน้อยที่สุด ทั้งต่อสภาวะในร่างกายและสภาวะของการทำหมันก่อนฝัง แนวคิดและการสาธิตจนถึงขณะนี้มีแนวโน้มดีแน่นอน"
Simons กล่าวว่าเซลล์เชื้อเพลิงใหม่สามารถเปิดใช้งานอุปกรณ์ประเภทใหม่ทั้งหมดได้ในอนาคต "ด้วยเซลล์เชื้อเพลิงของเราที่มีขนาดเล็ก เราจึงสามารถจินตนาการถึงอุปกรณ์ฝังรากเทียมที่มีขนาดใหญ่เพียงไม่กี่ไมโครเมตร" เขากล่าวเสริม "จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราสามารถจัดการกับเซลล์แต่ละเซลล์ด้วยอุปกรณ์ฝังเทียมได้"