29年2023月XNUMX日（Nanowerkスポットライト) ペースメーカーやバイオセンサーなどの埋め込み型医療機器は、多くの衰弱性疾患の治療に革命をもたらし、何百万もの人々の生活の質を向上させました。 しかし、これらの機器に電力を供給するバッテリーが不十分なことが依然として大きな限界となっており、さらなる進歩が制限されています。 今日のペースメーカー、バイオセンサー、その他の体内電子機器は、圧倒的に従来のリチウムまたは同様のバッテリーに依存しています。 しかし、これらのバッテリーはエネルギー密度が低いため、頻繁に充電するか、侵襲的手術による交換が必要になるか、より大きなバッテリーを収容するためにインプラントを大きくする必要があります。 これらはどちらも理想的ではありません。手術を繰り返すと患者のリスクと合併症が増大しますが、大型のデバイスは不快感を引き起こし、移植部位が制限される可能性があります。 さらに、有毒な電解質と電極は、時間の経過とともに体内に有害に浸出するという懸念を引き起こします。 医療用インプラントに電力を供給するバッテリーのこうした欠陥は、より小型で、よりスマートで、より高機能なデバイスの開発を妨げています。 調査結果を報告する 先端材料 (「ミトコンドリアにヒントを得たマグネシウム酸素バイオバッテリー」
生体内での高いエネルギー密度を持つ」）、科学者たちは、細胞内のエネルギーを生成するミトコンドリアにヒントを得て、医療用インプラントに必要なブーストを提供できる新しいバイオバッテリーを開発しました。
ミトコンドリアにインスピレーションを得たMOB-DMの概略図と構造特性評価。 a) Oを効率的に利用するミトコンドリアの構造と機能の模式図2 独自の二重膜構造と透過性により化学エネルギーを生成します。 b) ミトコンドリアからインスピレーションを得た MOB-DM は、生体内で電子システムに電力を供給するための安定した電気エネルギーを生成します。 MOB-DM の内膜は H の透過性が低いです。2O を透過し、Mg アノードの腐食を抑制します。一方、外膜は O の透過性が高くなります。2 そして生物学的環境と互換性があります。 c) MOB-DM の構造と内膜と外膜の組成を示す概略図。 d) MOB-DM の断面 SEM 画像。内側から Mg アノード、内膜 (オレンジ色でマーク)、PVA ゲル電解質、外膜修飾 CNT/Pt カソード (赤でマーク) を示しています。 スケールバー: 30 μm。 (Wiley-VCH Verlag の許可を得て転載) 高エネルギーで生体適合性のある代替物質を求めて、南京大学の研究者らは細胞内の動力源に注目しました。 ミトコンドリアは二重膜構造のおかげで効率的に酸素を利用します。 多孔質の外膜は酸素の侵入を許しますが、透過性の低い内膜はエネルギーを生み出す内部を保護します。
研究チームは、主要コンポーネントを覆う同様の二重膜を備えたバイオ電池を設計した。 アノードは生体適合性のあるマグネシウムで構成されています。 ヒドロゲル電解質は、これとプラチナでコーティングされたカーボンナノチューブで作られたカソードの間に位置し、酸素反応を触媒します。
新しい疎水性ポリマー-シリカ内膜コーティングがマグネシウムアノードを水による腐食から保護します。 テストでは、アノードの腐食速度が約XNUMX倍減少することが示されました。 撥水バリアにより、バッテリーのサイズや周囲の湿気に関係なく、安定したパフォーマンスが保証されます。
バイオバッテリーの外膜は、修飾されたリン脂質層から作られています。 細胞膜からヒントを得たこの製品は、酸素を通過させながら生物付着を防ぎます。 実験により、コーティングがコーティングされていない材料と比較して、一般的な血液タンパク質の付着を防ぐことが確認されました。 これにより、体液の長期的なパフォーマンスが向上します。
このミトコンドリアをヒントにしたバイオバッテリーをマウスに移植すると、デバイスの総体積に基づいて 2517 リットルあたり XNUMX ワット時という驚くべきエネルギー密度が達成されました。 これは市販の医療機器用リチウム電池の約2.5倍です。 バイオバッテリーは、筋肉や脳などのさまざまな組織環境にあるインプラントにも安定して電力を供給します。
分析の結果、バッテリーの放電プロセスは体内の酸素レベルやその他の生物学的マーカーに大きな影響を与えないことが判明しました。 テストでは、周囲の組織からの過剰な免疫反応がないため、優れた生体適合性も示されました。 これは、外膜が生体統合に適していることを裏付けています。
現実世界での応用を実証するために、研究者らはマウスに移植することに成功した小型の脳刺激装置と胃監視装置にバイオバッテリーを統合した。 生体適合性フォームファクターの高いエネルギー密度により、これまで実現不可能だったこのような内蔵型インプラントが可能になります。
斬新な生体模倣設計は、医療用電子機器の重要なニーズである高エネルギー貯蔵と生物学的適合性の両方を実現します。 この研究は、高度な体内デバイスに電力を供給するために調整された新世代のバイオバッテリーを開発するためのテンプレートを提供します。
By
Michael Liebreich
バーガー
生体内での高いエネルギー密度を持つ」）、科学者たちは、細胞内のエネルギーを生成するミトコンドリアにヒントを得て、医療用インプラントに必要なブーストを提供できる新しいバイオバッテリーを開発しました。
ミトコンドリアにインスピレーションを得たMOB-DMの概略図と構造特性評価。 a) Oを効率的に利用するミトコンドリアの構造と機能の模式図2 独自の二重膜構造と透過性により化学エネルギーを生成します。 b) ミトコンドリアからインスピレーションを得た MOB-DM は、生体内で電子システムに電力を供給するための安定した電気エネルギーを生成します。 MOB-DM の内膜は H の透過性が低いです。2O を透過し、Mg アノードの腐食を抑制します。一方、外膜は O の透過性が高くなります。2 そして生物学的環境と互換性があります。 c) MOB-DM の構造と内膜と外膜の組成を示す概略図。 d) MOB-DM の断面 SEM 画像。内側から Mg アノード、内膜 (オレンジ色でマーク)、PVA ゲル電解質、外膜修飾 CNT/Pt カソード (赤でマーク) を示しています。 スケールバー: 30 μm。 (Wiley-VCH Verlag の許可を得て転載) 高エネルギーで生体適合性のある代替物質を求めて、南京大学の研究者らは細胞内の動力源に注目しました。 ミトコンドリアは二重膜構造のおかげで効率的に酸素を利用します。 多孔質の外膜は酸素の侵入を許しますが、透過性の低い内膜はエネルギーを生み出す内部を保護します。
研究チームは、主要コンポーネントを覆う同様の二重膜を備えたバイオ電池を設計した。 アノードは生体適合性のあるマグネシウムで構成されています。 ヒドロゲル電解質は、これとプラチナでコーティングされたカーボンナノチューブで作られたカソードの間に位置し、酸素反応を触媒します。
新しい疎水性ポリマー-シリカ内膜コーティングがマグネシウムアノードを水による腐食から保護します。 テストでは、アノードの腐食速度が約XNUMX倍減少することが示されました。 撥水バリアにより、バッテリーのサイズや周囲の湿気に関係なく、安定したパフォーマンスが保証されます。
バイオバッテリーの外膜は、修飾されたリン脂質層から作られています。 細胞膜からヒントを得たこの製品は、酸素を通過させながら生物付着を防ぎます。 実験により、コーティングがコーティングされていない材料と比較して、一般的な血液タンパク質の付着を防ぐことが確認されました。 これにより、体液の長期的なパフォーマンスが向上します。
このミトコンドリアをヒントにしたバイオバッテリーをマウスに移植すると、デバイスの総体積に基づいて 2517 リットルあたり XNUMX ワット時という驚くべきエネルギー密度が達成されました。 これは市販の医療機器用リチウム電池の約2.5倍です。 バイオバッテリーは、筋肉や脳などのさまざまな組織環境にあるインプラントにも安定して電力を供給します。
分析の結果、バッテリーの放電プロセスは体内の酸素レベルやその他の生物学的マーカーに大きな影響を与えないことが判明しました。 テストでは、周囲の組織からの過剰な免疫反応がないため、優れた生体適合性も示されました。 これは、外膜が生体統合に適していることを裏付けています。
現実世界での応用を実証するために、研究者らはマウスに移植することに成功した小型の脳刺激装置と胃監視装置にバイオバッテリーを統合した。 生体適合性フォームファクターの高いエネルギー密度により、これまで実現不可能だったこのような内蔵型インプラントが可能になります。
斬新な生体模倣設計は、医療用電子機器の重要なニーズである高エネルギー貯蔵と生物学的適合性の両方を実現します。 この研究は、高度な体内デバイスに電力を供給するために調整された新世代のバイオバッテリーを開発するためのテンプレートを提供します。
By
Michael Liebreich
バーガー
– マイケルは王立化学会による XNUMX 冊の本の著者です。
ナノ社会：技術の境界を押し上げる,
ナノテクノロジー：未来は小さい,
ナノエンジニアリング：テクノロジーを見えなくするスキルとツール
著作権©
ナノワークLLC
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- 情報源： https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=63958.php
