用血糖发电

皮下的燃料电池可以将体内的血糖转化为电能，这听起来像是科幻小说。然而，正如苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)生物技术和生物工程教授马丁·福森格(Martin Fussenegger)领导的研究团队所展示的那样，这种方法非常有效。

　　

   

   

图片:原型燃料电池被羊毛包裹着，比指甲盖略大。

图源:Fussenegger实验室/苏黎世联邦理工学院

1型糖尿病患者，身体不产生胰岛素。这意味着患者必须从外部获得这种激素来调节血糖水平。如今，这主要是通过直接连接在身体上的胰岛素泵来完成的。这些设备以及起搏器等其他医疗应用都需要可靠的能源供应，目前主要由一次性或可充电电池供电。

现在，由位于巴塞尔的苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系的Martin Fussenegger领导的一组研究人员已经将一个看似未来的想法付诸实践。他们开发了一种可植入的燃料电池，利用组织中多余的血糖(葡萄糖)来产生电能。研究人员将这种燃料电池与他们小组几年前开发的人造β电池结合起来。按一下按钮，它们就会产生胰岛素，并有效地降低血糖水平，就像它们在胰腺中的天然榜样一样。

“许多人，尤其是在西方工业化国家，摄入的碳水化合物比他们日常生活所需的要多，”Fussenegger解释道。他补充说，这会导致肥胖、糖尿病和心血管疾病。他说:“这给了我们一个想法，利用这些多余的代谢能量来发电，为生物医学设备提供动力。”

茶包格式的燃料电池

在燃料电池的核心是一个由铜基纳米颗粒制成的阳极(电极)，这是Fussenegger的团队专门为此应用而创建的。它由铜基纳米颗粒组成，将葡萄糖分解成葡萄糖酸和一个质子来发电，从而使电路运动起来。

这种燃料电池用无纺布包裹，表面涂有海藻酸盐，海藻酸盐是一种被批准用于医疗的藻类产品，它就像一个可以植入皮肤下的小茶包。海藻酸盐吸收体液，使葡萄糖从组织进入燃料电池内部。

糖尿病网络自带电源

在第二步中，研究人员将燃料电池与含有人造β细胞的胶囊相结合。电流或蓝色LED灯可以刺激这些细胞产生和分泌胰岛素。Fussenegger和他的同事已经在一段时间前测试了这种设计细胞(见ETH News, 2016年12月8日)。

该系统结合了持续发电和控制胰岛素输送。一旦燃料电池记录到过量的葡萄糖，它就开始发电。然后，这些电能被用来刺激细胞产生胰岛素并释放到血液中。结果，血糖下降到正常水平。一旦它低于一定的阈值，电力和胰岛素的生产就会停止。

燃料电池提供的电能不仅足以刺激设计细胞，还能使植入系统与外部设备(如智能手机)通信。这使得潜在用户可以通过相应的应用程序来调整系统。医生也可以远程访问并进行调整。Fussenegger说:“这个新系统可以自主调节胰岛素和血糖水平，将来可以用于治疗糖尿病。”

通往市场成熟的漫长而不确定的道路

现有的系统只是一个原型。尽管研究人员已经成功地在小鼠身上进行了测试，但他们无法将其开发成可销售的产品。“将这样的设备推向市场远远超出了我们的财力和人力资源，”Fussenegger说。这需要一个拥有适当资源和专业知识的行业合作伙伴。

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Blood-Glucose-Powered Metabolic Fuel Cell for Self-Sufficient Bioelectronics