Uma célula de biocombustível movida a glicose que usa eletrodos feitos de fibra de algodão pode algum dia ajudar a alimentar dispositivos médicos implantáveis, como marca-passos e sensores. A nova célula de combustível, que fornece duas vezes mais energia do que as células convencionais de biocombustível, pode ser emparelhado com baterias ou supercapacitores para fornecer uma fonte de energia híbrida para os dispositivos médicos.

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia e da Universidade da Coreia usaram nanopartículas de ouro montadas no algodão para criar eletrodos de alta condutividade que ajudaram a melhorar a eficiência da célula de combustível. Isso permitiu que enfrentassem um dos principais desafios que limitam o desempenho das células de biocombustível - conectar a enzima usada para oxidar a glicose com um eletrodo.

Uma técnica de montagem camada por camada usada para fabricar os eletrodos de ouro - que fornecem tanto o cátodo eletrocatalítico quanto o substrato condutor para o ânodo - ajudou a aumentar a capacidade de energia para até 3,7 miliwatts por centímetro quadrado. Os resultados da pesquisa foram relatados em 26 de outubro na revista. Nature Communications .

"Poderíamos usar este dispositivo como uma fonte de energia contínua para converter a energia química da glicose no corpo em energia elétrica, "disse Seung Woo Lee, professor assistente na Woodruff School of Mechanical Engineering da Georgia Tech. "A técnica de deposição camada por camada controla com precisão a deposição tanto da nanopartícula de ouro quanto da enzima, aumentando dramaticamente a densidade de potência desta célula de combustível. "

A fabricação dos eletrodos começa com fibra de algodão porosa composta de múltiplas microfibrilas hidrofílicas - fibras de celulose contendo grupos hidroxila. Nanopartículas de ouro com cerca de oito nanômetros de diâmetro são então montadas nas fibras usando materiais de ligação orgânicos.

Para criar o ânodo para oxidar a glicose, os pesquisadores aplicam a enzima glicose oxidase em camadas alternadas com uma pequena molécula funcionalizada com amina conhecida como TREN. O cátodo, onde ocorre a reação de redução de oxigênio, usaram os eletrodos revestidos de ouro, que têm capacidades eletrocatalíticas.

"Nós controlamos precisamente o carregamento da enzima, "Disse Lee." Nós produzimos uma camada muito fina para que o transporte de carga entre o substrato condutor e a enzima seja melhorado. Fizemos uma conexão muito próxima entre os materiais para que o transporte de elétrons seja mais fácil. "

A porosidade do algodão permitiu um aumento no número de camadas de ouro em relação a uma fibra de náilon. “O algodão tem muitos poros que podem suportar a atividade em dispositivos eletroquímicos, "explicou Yongmin Ko, um professor visitante e um dos co-autores do artigo. "A fibra de algodão é hidrofílica, o que significa que o eletrólito molha facilmente a superfície. "

Além de melhorar a condutividade dos eletrodos, a fibra de algodão pode melhorar a biocompatibilidade do dispositivo, que é projetado para operar em baixa temperatura para permitir o uso dentro do corpo.

As células de biocombustível implantáveis ​​sofrem degradação ao longo do tempo, e a nova célula desenvolvida pela equipe norte-americana e coreana oferece estabilidade aprimorada a longo prazo. "Temos um desempenho recorde de alta potência, e a vida útil deve ser melhorada para aplicações biomédicas, como marca-passos, "Lee disse.

Marca-passos e outros dispositivos implantáveis ​​agora são alimentados por baterias que duram anos, mas ainda pode exigir substituição em um procedimento que exige cirurgia. A célula de biocombustível pode fornecer uma carga contínua para essas baterias, estendendo potencialmente o tempo que os dispositivos podem operar sem a substituição da bateria, Lee adicionou.

Além disso, a célula de biocombustível pode ser usada para alimentar dispositivos destinados a uso temporário. Esses dispositivos podem ser implantados para fornecer liberação cronometrada de um medicamento, mas se biodegradaria com o tempo, sem a necessidade de remoção cirúrgica. Para esses aplicativos, nenhuma bateria seria incluída, e a energia limitada necessária poderia ser fornecida pela célula de biocombustível.

Os objetivos futuros da pesquisa incluem a demonstração do funcionamento da célula de biocombustível com um dispositivo de armazenamento de energia, e desenvolvimento de uma fonte de energia implantável funcional. “Queremos desenvolver outras aplicações biológicas para isso, "disse Lee." Gostaríamos de ir mais longe com outras aplicações, incluindo baterias e armazenamento de alto desempenho. "