Una celda de biocombustible alimentada con glucosa que utiliza electrodos hechos de fibra de algodón podría algún día ayudar a alimentar dispositivos médicos implantables como marcapasos y sensores. La nueva pila de combustible, que proporciona el doble de energía que las células de biocombustible convencionales, podría combinarse con baterías o supercondensadores para proporcionar una fuente de energía híbrida para los dispositivos médicos.

Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad de Corea utilizaron nanopartículas de oro ensambladas en el algodón para crear electrodos de alta conductividad que ayudaron a mejorar la eficiencia de la pila de combustible. Eso les permitió abordar uno de los principales desafíos que limita el rendimiento de las células de biocombustible:conectar la enzima utilizada para oxidar la glucosa con un electrodo.

Una técnica de ensamblaje capa por capa utilizada para fabricar los electrodos de oro, que proporcionan tanto el cátodo electrocatalítico como el sustrato conductor para el ánodo, ayudó a aumentar la capacidad de potencia hasta 3,7 milivatios por centímetro cuadrado. Los resultados de la investigación se publicaron el 26 de octubre en la revista. Comunicaciones de la naturaleza .

"Podríamos utilizar este dispositivo como una fuente de energía continua para convertir la energía química de la glucosa en el cuerpo en energía eléctrica, "dijo Seung Woo Lee, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff de Georgia Tech. "La técnica de deposición capa por capa controla con precisión la deposición tanto de la nanopartícula de oro como de la enzima, aumentando drásticamente la densidad de potencia de esta pila de combustible ".

La fabricación de los electrodos comienza con fibra de algodón porosa compuesta de múltiples microfibrillas hidrófilas, fibras de celulosa que contienen grupos hidroxilo. Luego, las nanopartículas de oro de unos ocho nanómetros de diámetro se ensamblan sobre las fibras utilizando materiales enlazadores orgánicos.

Para crear el ánodo para oxidar la glucosa, Los investigadores aplican la enzima glucosa oxidasa en capas que se alternan con una pequeña molécula funcionalizada con amina conocida como TREN. El cátodo donde tiene lugar la reacción de reducción de oxígeno, usó los electrodos cubiertos de oro, que tienen capacidades electrocatalíticas.

"Controlamos con precisión la carga de la enzima, ", Dijo Lee." Producimos una capa muy delgada para que se mejore el transporte de carga entre el sustrato conductor y la enzima. Hemos hecho una conexión muy estrecha entre los materiales para que el transporte de electrones sea más fácil ".

La porosidad del algodón permitió un aumento en el número de capas de oro en comparación con una fibra de nailon. "El algodón tiene muchos poros que pueden favorecer la actividad de los dispositivos electroquímicos, "explicó Yongmin Ko, un miembro de la facultad visitante y uno de los coautores del artículo. "La fibra de algodón es hidrofílica, lo que significa que el electrolito moja fácilmente la superficie ".

Más allá de mejorar la conductividad de los electrodos, la fibra de algodón podría mejorar la biocompatibilidad del dispositivo, que está diseñado para funcionar a baja temperatura para permitir su uso dentro del cuerpo.

Las células de biocombustible implantables sufren degradación con el tiempo, y la nueva celda desarrollada por el equipo de EE. UU. y Corea ofrece una estabilidad mejorada a largo plazo. "Tenemos un rendimiento récord de alta potencia, y la vida útil debe mejorarse para aplicaciones biomédicas como marcapasos, "Dijo Lee.

Los marcapasos y otros dispositivos implantables ahora funcionan con baterías que duran años, pero aún puede requerir reemplazo en un procedimiento que requiere cirugía. La celda de biocombustible podría proporcionar una carga continua para esas baterías, extender potencialmente el tiempo que los dispositivos pueden funcionar sin reemplazo de la batería, Lee agregó.

Además, la celda de biocombustible podría utilizarse para alimentar dispositivos destinados a un uso temporal. Dichos dispositivos podrían implantarse para proporcionar una liberación programada de un fármaco, pero se biodegradaría con el tiempo sin necesidad de extirpación quirúrgica. Para estas aplicaciones, no se incluiría batería, y la energía limitada requerida podría ser proporcionada por la celda de biocombustible.

Los objetivos futuros de la investigación incluyen demostrar el funcionamiento de la celda de biocombustible con un dispositivo de almacenamiento de energía, y desarrollo de una fuente de energía implantable funcional. "Queremos desarrollar otras aplicaciones biológicas para esto, ", dijo Lee." Nos gustaría ir más lejos con otras aplicaciones, incluidas las baterías y el almacenamiento de alto rendimiento ".