Ученые МФТИ и НИЦ «Курчатовский институт» разработали высокоэффективный биотопливный источник питания на основе глюкозы и многостенных углеродных нанотрубок для непрерывной работы нейроимплантов. Устройство продемонстрировало хорошие результаты работы на мозге крыс. Исследование опубликовано в сборнике 2024 IEEE Ural-Siberian Conference on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology.
За последние десятилетия значительно продвинулись разработки в области активных имплантируемых медицинских устройств. Это открывает широкие перспективы для восстановления функций поврежденных органов, в том числе сердца и мозга. Однако основным недостатком традиционных устройств по-прежнему остается использование литий-ионных аккумуляторов в качестве источника питания. Эти батареи громоздки, состоят из токсичных материалов и требуют периодической замены путем хирургических вмешательств.
Ферментный биотопливный элемент (ФБТЭ) обещает стать технологическим прорывом в области энергоснабжения медицинских устройств. Сам элемент представляет собой электрогенератор, который постоянно вырабатывает энергию за счет ресурсов организма пациента. Усовершенствованные долгоживущие нейроинтерфейсы будут востребованы в области лечения нейродегенеративных и неврологических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и последствия эпилепсии.
В своей повседневной деятельности организм человека производит несколько видов энергии: механическую (дыхание и сердцебиение, мышечное сокращение, артериальное давление), тепловую и биохимическую. Этим полезным свойством и пытаются воспользоваться ученые. Например, уже существуют устройства, работа которых основана на фотоэмиссионном эффекте (выработка электронов под действием света) или термоэлектрическом (преобразование разности температур в электрическое напряжение). Однако само преобразование такой энергии в организме человека до сих пор не является стабильным процессом.
В свою очередь ферментатный биотопливный элемент можно рассматривать как устройство, которое способно добиться стабильного преобразования химической энергии органических веществ в электричество путем окисления сахаров (глюкозы) из физиологических жидкостей.
Глюкоза широко распространена в организме и играет жизненно важную роль в качестве основного источника энергии. Ее концентрация поддерживается благодаря естественной саморегуляции — гомеостазу. Потребление глюкозы биотопливным элементом минимально и, следовательно, не влияет на гомеостаз. Эти свойства дают возможность для создания устройств пожизненной имплантации.
«Новаторство нашей работы в том, что мы разработали способ, при котором стало возможным обеспечить производство электричества внутри организма за счёт окисления органических веществ, а именно глюкозы. Это позволит устанавливать нейроимпланты с естественным генератором энергии вместо традиционных литий-ионных аккумуляторов, которые склонны разряжаться и требуют замены каждые 5–10 лет. Биотопливный элемент подходит и для кардиостимулятора, и нейростимулятора, имплантов для восстановления слуха. У него максимально широкое применение. Кроме того, в нашем исследовании был предложен способ, при котором можно питать нейроимпланты благодаря глюкозе, которая находится в ликворе — спинномозговой жидкости. Пока мы провели серию успешных испытаний на крысах, что открывает возможность для будущих испытаний на более крупных млекопитающих», — рассказала о работе Екатерина Вахницкая, магистрантка МФТИ.
Биотопливный элемент весьма компактен и состоит из двух микроэлектродов. На аноде фермент расщепляет глюкозу с образованием протонов и электронов. На катоде происходит реакция восстановления кислорода при участии протонов, проходящих через электролит, и электронов, которые протекают через внешнюю электрическую цепь.
Первоочередная задача ученых — добиться высокой эффективности электродов, которые влияют на эффективность происходящей окислительно-восстановительной реакции. Для ее решения были использованы новые композитные материалы, в том числе многостенные углеродные нанотрубки, которые создаются из свернутых слоев атомов углерода в виде полых цилиндрических структур.
Екатерина отметила, что композитный материал, который состоит из последовательно нанесенных компонентов, позволяет добиться заданных свойств для анода. Например, углеродные нанотрубки обеспечивают увеличение площади поверхности и электропроводимости. За счет их применения можно адсорбировать и иммобилизовать больше фермента, а значит, получить более мощное устройство.
«Для бесперебойной работы нейроимплантов мы создали композитный анод. Самая большая проблема, препятствующая выработке энергии в организме, — это иммобилизация фермента. Композитный анод способен предотвратить диффузию фермента в окружающую жидкость: в кровь и ликвор. По сути, он удерживает их на аноде благодаря различным компонентам — полимерам, углеродным материалам. Для подтверждения нашей гипотезы мы провели серию измерений, которые показали, что мощность элемента не меняется, а значит, фермент остается иммобилизован на аноде», — подчеркнула Екатерина Вахницкая.
Разработчики отмечают, что для изготовления мощного биотопливного элемента важно учитывать такие значения, как выходное напряжение и удельную мощность, которые являются наиболее важными характеристиками источника питания.
В ходе экспериментальной работы на мозге крыс электроды были успешно имплантированы и проведены электрохимические измерения. Биотопливный элемент обеспечивал максимальную удельную мощность 51,8 мВт/см2 и максимальный потенциал открытой цепи 200 мВ. Эти результаты демонстрируют потенциальные возможности имплантации устройства в качестве долговременного источника питания для нейростимуляторов, а применение электропроводящих углеродных наноматериалов — одним из наиболее перспективных подходов для их производства.
