29 tháng 2023, XNUMX (Tiêu điểm Nanowerk) Các thiết bị y tế có thể cấy ghép như máy điều hòa nhịp tim và cảm biến sinh học đã cách mạng hóa phương pháp điều trị cho nhiều tình trạng suy nhược, cải thiện chất lượng cuộc sống cho hàng triệu người. Tuy nhiên, lượng pin không đủ cung cấp năng lượng cho các thiết bị này vẫn là một hạn chế lớn, hạn chế tiến độ tiếp theo. Máy tạo nhịp tim, cảm biến sinh học và các thiết bị điện tử khác trong cơ thể ngày nay chủ yếu dựa vào pin lithium thông thường hoặc pin tương tự. Nhưng những loại pin này có mật độ năng lượng thấp, nghĩa là chúng cần được sạc hoặc thay thế thường xuyên bằng phẫu thuật xâm lấn hoặc bộ phận cấy ghép phải được chế tạo cồng kềnh để chứa pin lớn hơn. Cả hai điều này đều không lý tưởng – các hoạt động lặp đi lặp lại sẽ làm tăng rủi ro và biến chứng cho bệnh nhân, trong khi các thiết bị lớn có thể gây khó chịu và hạn chế vị trí cấy ghép. Ngoài ra, các chất điện giải và điện cực độc hại làm tăng mối lo ngại về việc thẩm thấu có hại vào cơ thể theo thời gian. Những thiếu sót của pin cung cấp năng lượng cho các thiết bị cấy ghép y tế đang cản trở sự phát triển của các thiết bị nhỏ hơn, thông minh hơn và có nhiều tính năng hơn. Báo cáo những phát hiện của họ trong Vật liệu tiên tiến (“Pin sinh học Magiê-Oxy lấy cảm hứng từ ty thể
với mật độ năng lượng cao ở Vivo”), các nhà khoa học đã phát triển một loại pin sinh học mới lấy cảm hứng từ ty thể tạo ra năng lượng bên trong tế bào có thể cung cấp nhu cầu cấy ghép y tế.
Sơ đồ minh họa và đặc tính cấu trúc của MOB-DM lấy cảm hứng từ ty thể. a) Sơ đồ cấu trúc và chức năng của ty thể sử dụng hiệu quả O2 để tạo ra năng lượng hóa học thông qua cấu trúc màng kép và tính thấm độc đáo của nó. b) MOB-DM, lấy cảm hứng từ ty thể, tạo ra năng lượng điện ổn định để cấp nguồn cho các hệ thống điện tử trong cơ thể. Màng trong của MOB-DM ít thấm H2O và do đó ức chế sự ăn mòn của cực dương Mg, trong khi màng ngoài có khả năng thấm cao O2 và phù hợp với môi trường sinh học. c) Sơ đồ minh họa cấu trúc của MOB-DM và thành phần của màng trong và màng ngoài. d) Ảnh SEM cắt ngang của MOB-DM, cho thấy cực dương Mg, màng trong (được đánh dấu màu cam), chất điện phân gel PVA và cực âm CNT/Pt biến đổi màng ngoài (được đánh dấu màu đỏ) từ trong ra ngoài. Thanh tỷ lệ: 30 µm. (In lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Để tìm kiếm một giải pháp thay thế năng lượng cao, tương thích sinh học, các nhà nghiên cứu tại Đại học Nam Kinh đã chuyển sang sử dụng nguồn năng lượng bên trong tế bào của chúng ta. Ty thể khai thác oxy hiệu quả nhờ cấu trúc màng kép. Màng xốp bên ngoài cho phép oxy đi vào, trong khi màng bên trong ít thấm hơn bảo vệ phần bên trong tạo ra năng lượng.
Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một loại pin sinh học có màng kép tương tự bao bọc các thành phần chính. Cực dương bao gồm magiê tương thích sinh học. Một chất điện phân hydrogel nằm giữa phần này và cực âm làm từ ống nano carbon phủ bạch kim để xúc tác cho các phản ứng oxy.
Lớp phủ màng bên trong polyme-silica kỵ nước mới bảo vệ cực dương magie khỏi bị ăn mòn bởi nước. Các thử nghiệm cho thấy nó làm giảm tốc độ ăn mòn của cực dương khoảng XNUMX lần. Hàng rào chống thấm nước đảm bảo hiệu suất ổn định bất kể kích thước của pin hoặc độ ẩm xung quanh.
Màng ngoài của pin sinh học được làm từ lớp phospholipid biến tính. Lấy cảm hứng từ màng tế bào, chất liệu này chống bám bẩn sinh học đồng thời cho phép oxy đi qua. Các thí nghiệm cho thấy lớp phủ ngăn chặn các protein trong máu thông thường dính vào so với vật liệu không phủ. Điều này làm tăng hiệu suất lâu dài trong chất lỏng sinh học.
Được cấy vào chuột, pin sinh học lấy cảm hứng từ ty thể đã đạt được mật độ năng lượng vượt trội là 2517 watt-giờ/lít dựa trên tổng khối lượng thiết bị. Con số này cao hơn khoảng 2.5 lần so với pin lithium thương mại dành cho thiết bị y tế. Pin sinh học cũng cung cấp năng lượng ổn định cho các bộ phận cấy ghép trong các môi trường mô khác nhau như cơ hoặc não.
Các phân tích cho thấy quá trình phóng điện của pin không ảnh hưởng đáng kể đến nồng độ oxy hoặc các dấu hiệu sinh học khác trong cơ thể. Các thử nghiệm cũng cho thấy khả năng tương thích sinh học tuyệt vời, không có phản ứng miễn dịch quá mức từ các mô xung quanh. Điều này khẳng định sự phù hợp của màng ngoài đối với quá trình tích hợp sinh học.
Để chứng minh ứng dụng trong thế giới thực, các nhà nghiên cứu đã tích hợp pin sinh học của họ vào các thiết bị kích thích não thu nhỏ và theo dõi dạ dày được cấy thành công vào chuột. Mật độ năng lượng cao ở dạng tương thích sinh học cho phép cấy ghép khép kín như vậy mà trước đây không khả thi.
Thiết kế mô phỏng sinh học mới đáp ứng cả hai nhu cầu chính cho thiết bị điện tử y tế – lưu trữ năng lượng cao và khả năng tương thích sinh học. Nghiên cứu này cung cấp một khuôn mẫu để phát triển một thế hệ pin sinh học mới được thiết kế để cung cấp năng lượng cho các thiết bị tiên tiến trong cơ thể.
By
Michael
Berger
với mật độ năng lượng cao ở Vivo”), các nhà khoa học đã phát triển một loại pin sinh học mới lấy cảm hứng từ ty thể tạo ra năng lượng bên trong tế bào có thể cung cấp nhu cầu cấy ghép y tế.
Sơ đồ minh họa và đặc tính cấu trúc của MOB-DM lấy cảm hứng từ ty thể. a) Sơ đồ cấu trúc và chức năng của ty thể sử dụng hiệu quả O2 để tạo ra năng lượng hóa học thông qua cấu trúc màng kép và tính thấm độc đáo của nó. b) MOB-DM, lấy cảm hứng từ ty thể, tạo ra năng lượng điện ổn định để cấp nguồn cho các hệ thống điện tử trong cơ thể. Màng trong của MOB-DM ít thấm H2O và do đó ức chế sự ăn mòn của cực dương Mg, trong khi màng ngoài có khả năng thấm cao O2 và phù hợp với môi trường sinh học. c) Sơ đồ minh họa cấu trúc của MOB-DM và thành phần của màng trong và màng ngoài. d) Ảnh SEM cắt ngang của MOB-DM, cho thấy cực dương Mg, màng trong (được đánh dấu màu cam), chất điện phân gel PVA và cực âm CNT/Pt biến đổi màng ngoài (được đánh dấu màu đỏ) từ trong ra ngoài. Thanh tỷ lệ: 30 µm. (In lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Để tìm kiếm một giải pháp thay thế năng lượng cao, tương thích sinh học, các nhà nghiên cứu tại Đại học Nam Kinh đã chuyển sang sử dụng nguồn năng lượng bên trong tế bào của chúng ta. Ty thể khai thác oxy hiệu quả nhờ cấu trúc màng kép. Màng xốp bên ngoài cho phép oxy đi vào, trong khi màng bên trong ít thấm hơn bảo vệ phần bên trong tạo ra năng lượng.
Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một loại pin sinh học có màng kép tương tự bao bọc các thành phần chính. Cực dương bao gồm magiê tương thích sinh học. Một chất điện phân hydrogel nằm giữa phần này và cực âm làm từ ống nano carbon phủ bạch kim để xúc tác cho các phản ứng oxy.
Lớp phủ màng bên trong polyme-silica kỵ nước mới bảo vệ cực dương magie khỏi bị ăn mòn bởi nước. Các thử nghiệm cho thấy nó làm giảm tốc độ ăn mòn của cực dương khoảng XNUMX lần. Hàng rào chống thấm nước đảm bảo hiệu suất ổn định bất kể kích thước của pin hoặc độ ẩm xung quanh.
Màng ngoài của pin sinh học được làm từ lớp phospholipid biến tính. Lấy cảm hứng từ màng tế bào, chất liệu này chống bám bẩn sinh học đồng thời cho phép oxy đi qua. Các thí nghiệm cho thấy lớp phủ ngăn chặn các protein trong máu thông thường dính vào so với vật liệu không phủ. Điều này làm tăng hiệu suất lâu dài trong chất lỏng sinh học.
Được cấy vào chuột, pin sinh học lấy cảm hứng từ ty thể đã đạt được mật độ năng lượng vượt trội là 2517 watt-giờ/lít dựa trên tổng khối lượng thiết bị. Con số này cao hơn khoảng 2.5 lần so với pin lithium thương mại dành cho thiết bị y tế. Pin sinh học cũng cung cấp năng lượng ổn định cho các bộ phận cấy ghép trong các môi trường mô khác nhau như cơ hoặc não.
Các phân tích cho thấy quá trình phóng điện của pin không ảnh hưởng đáng kể đến nồng độ oxy hoặc các dấu hiệu sinh học khác trong cơ thể. Các thử nghiệm cũng cho thấy khả năng tương thích sinh học tuyệt vời, không có phản ứng miễn dịch quá mức từ các mô xung quanh. Điều này khẳng định sự phù hợp của màng ngoài đối với quá trình tích hợp sinh học.
Để chứng minh ứng dụng trong thế giới thực, các nhà nghiên cứu đã tích hợp pin sinh học của họ vào các thiết bị kích thích não thu nhỏ và theo dõi dạ dày được cấy thành công vào chuột. Mật độ năng lượng cao ở dạng tương thích sinh học cho phép cấy ghép khép kín như vậy mà trước đây không khả thi.
Thiết kế mô phỏng sinh học mới đáp ứng cả hai nhu cầu chính cho thiết bị điện tử y tế – lưu trữ năng lượng cao và khả năng tương thích sinh học. Nghiên cứu này cung cấp một khuôn mẫu để phát triển một thế hệ pin sinh học mới được thiết kế để cung cấp năng lượng cho các thiết bị tiên tiến trong cơ thể.
By
Michael
Berger
– Michael là tác giả của ba cuốn sách của Hiệp hội Hóa học Hoàng gia:
Xã hội Nano: Đẩy mạnh ranh giới của công nghệ,
Công nghệ nano: Tương lai nhỏ bévà
Nanoengineering: Các kỹ năng và công cụ làm cho công nghệ vô hình
Bản quyền ©
Công Ty TNHH Nanowerk
Trở thành tác giả khách mời của Spotlight! Tham gia nhóm lớn và đang phát triển của chúng tôi những người đóng góp cho khách. Bạn vừa xuất bản một bài báo khoa học hoặc có những phát triển thú vị khác để chia sẻ với cộng đồng công nghệ nano? Đây là cách xuất bản trên nanowerk.com.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=63958.php
