材料科學：棉花的混合生物燃料電池，可為植入式醫療設備提供動力？

使用棉纖維制成的電極的葡萄糖動力生物燃料電池有朝一日可以為植入式醫療設備和傳感器提供動力。新型燃料電池的功率是傳統生物燃料電池的兩倍，可與電池或超級電容器配對，為醫療設備提供混合動力源。

佐治亞理工學院和韓國大學的研究人員使用在棉花上組裝的金納米粒子來制造高電導率電極，這有助于提高燃料電池的效率。這使他們能夠解決限制生物燃料電池性能的主要挑戰之一-將用于氧化葡萄糖的酶與電極連接起來。

阿層用于制造金電極-其提供兩個電催化陰極和導電性基板逐層組裝技術陽極幫助提高功率容量每平方厘米多達3.7毫瓦。研究結果于10月26日在NatureCommunications雜志上發表。

佐治亞理工學院伍德拉夫機械工程學院助理教授SeungWooLee說：“我們可以將這種裝置用作連續動力源，將體內葡萄糖的化學能轉化為電能。”“逐層沉積技術精確控制金納米粒子和酶的沉積，大大提高了這種燃料電池的功率密度。”

電極的制造始于由多種親水性微纖維-含有羥基的纖維素纖維組成的多孔棉纖維。然后使用有機連接材料將直徑約8納米的金納米顆粒組裝到纖維上。

為了產生氧化葡萄糖的陽極，研究人員將葡萄糖氧化酶分層交替使用稱為TREN的胺官能化小分子。發生氧還原反應的陰極使用具有電催化能力的金覆蓋電極。

“我們精確地控制了酶的加載，”Lee說。“我們生產了一層非常薄的層，以便改善導電基板和酶之間的電荷傳輸。我們在材料之間建立了非常緊密的連接，因此電子的傳輸更容易。”

與尼龍纖維相比，棉的孔隙率允許金層數量增加。“棉花有許多毛孔可以支持電化學裝置的活動，”訪問教授和該論文的共同作者之一YongminKo解釋道。“棉纖維是親水的，這意味著電解質很容易潤濕表面。”

除了提高電極的導電性之外，棉纖維還可以改善設備的生物相容性，該設備設計為在低溫下操作以允許在體內使用。

植入式生物燃料電池隨著時間的推移而遭受退化，美國和韓國團隊開發的新電池提供了改善的長期穩定性。“我們擁有創紀錄的高功率性能，并且應該改善生命醫學應用的壽命，例如心臟起搏器，”Lee說。

起搏器和其他可植入設備現在由電池供電，持續數年，但可能仍需要在需要手術的過程中進行更換。Lee補充說，生物燃料電池可以為這些電池提供連續充電，可能延長設備在沒有電池更換的情況下運行的時間。

此外，生物燃料電池可用于為臨時使用的設備供電。可以植入這樣的裝置以提供藥物的定時釋放，但是可以隨時間生物降解而不需要手術移除。對于這些應用，不包括電池，并且生物燃料電池可以提供所需的有限功率。

該研究的未來目標包括用能量存儲裝置展示生物燃料電池的操作，以及功能性可植入電源的開發。“我們希望為此開發其他生物應用，”李說。“我們希望進一步推廣其他應用，包括電池和高性能存儲。”