Науковці створили портативну біобатарею з живих гідрогелів для стимуляції нервів

Дослідники з Шеньчженського інституту передових технологій Китайської академії наук у співпраці з Шеньчженським університетом розробили інноваційну портативну біобатарею, яка відкриває нові можливості в галузі біоелектричної стимуляції та моніторингу фізіологічних показників.

Команда науковців під керівництвом Чжун Чао, Лю Чжіюаня та Ван Сіньюя створила мініатюрний пристрій, використовуючи унікальну технологію живих гідрогелів. Основою винаходу стали біоплівки бактерій Shewanella oneidensis MR-1, які були інкапсульовані в альгінатні гідрогелі. Завдяки застосуванню технології тривимірного друку, ці живі гідрогелі можна формувати у різноманітні геометричні структури, що дозволяє створювати пристрої за індивідуальними параметрами.

Біобатарея має компактні розміри — всього 20 міліметрів у діаметрі та 3,2 міліметра у висоту. Її конструкція, натхненна принципами роботи літій-іонних акумуляторів, складається з трьох основних компонентів: живого гідрогелю як біоаноду, альгінатного гідрогелю з K3[Fe (CN)6] як катоду та мембрани Nafion для іонного обміну.

Особливістю розробки є здатність до самозарядки завдяки метаболічній активності бактерій. Пристрій може витримувати до 10 циклів самозарядки. Крім того, біобатарея функціонує як псевдоакумулятор, демонструючи вражаючу кулонівську ефективність — понад 99,5% протягом 50 циклів заряду-розряду, що свідчить про мінімальні втрати енергії. Важливо відзначити, що бактерії зберігають високу життєздатність протягом усього процесу роботи — понад 70%, а наприкінці експлуатації цей показник сягає 97,6%.

Технічні характеристики біобатареї включають питому ємність 0,4 міліампер-годин на грам, максимальну щільність потужності близько 8,31 мікроват на квадратний сантиметр та щільність енергії 0,008 ват-годин на літр. Хоча ці показники нижчі порівняно з традиційними літій-іонними акумуляторами, біобатарея має суттєву перевагу з точки зору екологічності. Вона не потребує використання критично важливих сировинних матеріалів, таких як кобальт і літій, а також уникає застосування екологічно небезпечних компонентів — марганцю та органічних електролітів.

Дослідники провели успішні експерименти із застосування біобатареї для стимуляції нервів. Вони продемонстрували можливість точного контролю біоелектричної стимуляції та фізіологічних сигналів кров'яного тиску через вплив на сідничний та блукаючий нерви. Така прецизійна стимуляція відкриває перспективи для розробки нових методів фізіотерапії.

Це дослідження не лише сприяє розвитку портативних біопристроїв, але й розширює межі досліджень у галузі розробки живих енергетичних матеріалів. Воно пропонує інноваційні рішення для майбутнього розвитку та застосування сталих джерел енергії в медицині та біотехнологіях.

Результати дослідження опубліковані в престижному науковому журналі Advanced Materials. Робота демонструє значний потенціал для подальшого розвитку біосумісних енергетичних пристроїв та їх застосування в медичній практиці.