Una cella a biocarburante alimentata a glucosio che utilizza elettrodi realizzati in fibra di cotone potrebbe un giorno aiutare ad alimentare dispositivi medici impiantabili come pacemaker e sensori. La nuova cella a combustibile, che fornisce il doppio di energia rispetto alle celle a biocombustibile convenzionali, potrebbe essere abbinato a batterie o supercondensatori per fornire una fonte di alimentazione ibrida per i dispositivi medici.

I ricercatori del Georgia Institute of Technology e della Korea University hanno utilizzato nanoparticelle d'oro assemblate sul cotone per creare elettrodi ad alta conduttività che hanno contribuito a migliorare l'efficienza della cella a combustibile. Ciò ha permesso loro di affrontare una delle principali sfide che limitano le prestazioni delle celle a biocombustibile:collegare l'enzima utilizzato per ossidare il glucosio con un elettrodo.

Una tecnica di assemblaggio strato per strato utilizzata per fabbricare gli elettrodi d'oro, che forniscono sia il catodo elettrocatalitico che il substrato conduttivo per l'anodo, ha contribuito ad aumentare la capacità di potenza fino a 3,7 milliwatt per centimetro quadrato. I risultati della ricerca sono stati riportati il ​​26 ottobre sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

"Potremmo usare questo dispositivo come una fonte di energia continua per convertire l'energia chimica dal glucosio nel corpo in energia elettrica, " ha detto Seung Woo Lee, un assistente professore presso la Woodruff School of Mechanical Engineering della Georgia Tech. "La tecnica di deposizione strato per strato controlla con precisione la deposizione sia della nanoparticella d'oro che dell'enzima, aumentando drasticamente la densità di potenza di questa cella a combustibile."

La fabbricazione degli elettrodi inizia con una fibra di cotone porosa composta da più microfibrille idrofile, fibre di cellulosa contenenti gruppi ossidrile. Le nanoparticelle d'oro di circa otto nanometri di diametro vengono quindi assemblate sulle fibre utilizzando materiali di collegamento organici.

Per creare l'anodo per ossidare il glucosio, i ricercatori applicano l'enzima glucosio ossidasi in strati alternati a una piccola molecola funzionalizzata con ammina nota come TREN. Il catodo, dove avviene la reazione di riduzione dell'ossigeno, usato gli elettrodi ricoperti d'oro, che hanno capacità elettrocatalitiche.

"Controlliamo con precisione il caricamento dell'enzima, " Lee ha detto. "Produciamo uno strato molto sottile in modo che il trasporto di carica tra il substrato conduttivo e l'enzima sia migliorato. Abbiamo creato una connessione molto stretta tra i materiali in modo che il trasporto degli elettroni sia più facile".

La porosità del cotone ha permesso un aumento del numero di strati d'oro rispetto a una fibra di nylon. "Il cotone ha molti pori che possono supportare l'attività nei dispositivi elettrochimici, " ha spiegato Yongmin Ko, un membro della facoltà in visita e uno dei coautori del documento. "La fibra di cotone è idrofila, il che significa che l'elettrolita bagna facilmente la superficie."

Oltre a migliorare la conduttività degli elettrodi, la fibra di cotone potrebbe migliorare la biocompatibilità del dispositivo, che è progettato per funzionare a bassa temperatura per consentire l'uso all'interno del corpo.

Le celle a biocombustibile impiantabili soffrono di degrado nel tempo, e la nuova cella sviluppata dal team statunitense e coreano offre una migliore stabilità a lungo termine. "Abbiamo prestazioni da record ad alta potenza, e la durata dovrebbe essere migliorata per applicazioni biomediche come pacemaker, " ha detto Lee.

Pacemaker e altri dispositivi impiantabili sono ora alimentati da batterie che durano anni, ma potrebbe comunque richiedere la sostituzione in una procedura che richiede un intervento chirurgico. La cella a biocombustibile potrebbe fornire una carica continua per quelle batterie, estendendo potenzialmente il tempo in cui i dispositivi possono funzionare senza la sostituzione della batteria, Lee ha aggiunto.

Inoltre, la cella a biocombustibile potrebbe essere utilizzata per alimentare dispositivi destinati ad un uso temporaneo. Tali dispositivi potrebbero essere impiantati per fornire il rilascio temporizzato di un farmaco, ma si biodegraderebbe nel tempo senza richiedere la rimozione chirurgica. Per queste applicazioni, nessuna batteria sarebbe inclusa, e la potenza limitata richiesta potrebbe essere fornita dalla cella a biocombustibile.

Gli obiettivi futuri della ricerca includono la dimostrazione del funzionamento della cella a biocarburante con un dispositivo di accumulo di energia, e sviluppo di una fonte di energia impiantabile funzionale. "Vogliamo sviluppare altre applicazioni biologiche per questo, ", ha affermato Lee. "Vorremmo andare oltre con altre applicazioni, tra cui batterie e storage ad alte prestazioni".