Российские ученые придумали «сладкий» источник питания для имплантов

Ученые Физтеха и Курчатовского института разработали биотопливный элемент, который служит источником питания для активных имплантов — например, кардио- и нейростимуляторов. Топливом для него является глюкоза из организма пациента.

Устройство преобразовывает химическую энергию органических веществ в электричество, окисляя глюкозу, которая содержится в физиологических жидкостях. Концентрация глюкозы в организме поддерживается примерно на одном уровне благодаря естественной саморегуляции — гомеостазу. При этом устройство потребляет мало биохимической энергии, поэтому на гомеостаз нес влияет.

Биотопливный элемент очень компактен: он состоит из двух электродов, которые вживляют в ткани пациента, а также контактов, подключаемых к устройству, которое нужно запитать. На аноде находится катализатор — фермент глюкозооксидаза, который окисляет «топливо»-глюкозу и при этом сам не расходуется. В результате образуются протоны и электроны. Протоны отправляются к катоду по электролиту (им выступает кровь или спинномозговая жидкость), чтобы восстановить кислород до воды. Электроны же попадают во внешнюю цепь, питая энергией устройство.

Главный недостаток традиционных имплантируемых медицинских устройств — кардио- и нейростимуляторов или имплантов для восстановления слуха — это использование литийионных аккумуляторов в качестве источников питания. Они громоздки, состоят из бионесовместимых материалов и требуют периодической замены, для чего нужно хирургическое вмешательство.

Анод изготовили из композитных материалов, которые содержат в том числе углеродные нанотрубки. Они помогают собрать и прочно закрепить на электроде как можно больше фермента, не допустив его распространения в кровь или спинномозговую жидкость.

Устройство со «сладкой подзарядкой» успешно протестировали на лабораторных крысах. Биотопливный элемент показал мощность 51,8 милливатт на квадратных сантиметр и напряжение порядка 200 милливольт.