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科学家发明新型燃料电池可为人造器官供电

时间：2010-05-17 22:37:11

关键字：燃料电池供电电流电极

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[导读]科学家发明新型燃料电池可为人造器官供电

据国外媒体报道，日前，科学家在最新实验研究中将微型电池植入老鼠体内，通过老鼠自身体内的糖物质可产生电流，使微型电池持续供电数个月。

“葡萄糖生物燃料电池”依赖于人体酶进行化学反应产生电流，可持续向人造器官供电

人造心脏的出现将很大程度地刺激科学家研制人造肾和胰腺，然而一项关键性的技术障碍是如何为人造器官植入体内之后持续供电。科学家并不是采用将人造器官与外部系统相连接进行持续性供电，或者将它们从人体内移除进行电池更换，他们计划利用人体自身组织为人造器官提供持续电流。

目前，科学家希望未来植入人体的人造器官不采用电池，而是利用人体自身作为燃料源产生能量。科学家展示植入老鼠体内的燃料电池能够利用老鼠体内的糖物质成功地产生电流，这些电流可使电池持续使用数个月。

迄今功能最强大的糖动力燃料电池叫做“葡萄糖生物燃料电池”，它依赖于人体酶进行化学反应产生电流，例如：葡萄糖和氧气结合在一起(这两种物质都存在于实验老鼠体内)，这种被称为“氧化还原调解剂”的混合物质就像是电线，持续向人造器官供电。科学家们正在研制类似的多样化装置以环保方式产生电流。

但在过去这种葡萄糖燃料电池并不适合于人体移植，这是由于该电池不是要求较高的酸性状态工作，就是被体内多种离子所抑制。最新研制的电池系统不受以上条件的限制，成为首个有效植入性葡萄糖生物电池，其设计原型在实验老鼠体内可持续供电至少3个月之久。

法国格勒诺布尔市约瑟夫-傅立叶大学生物医学工程师菲利普-桑刚(Philippe Cinquin)说：“从某些方面我们可以将人造器官想像成为可植入机器人，它能够补偿实现一些人体功能。”

之前葡萄糖生物燃料电池通过化学键接结合将葡萄糖和氧化还原调解剂组合在一起靠近电极区域，但是并不是所有的酶和氧化还原调解剂能够结合在一起。对此，桑刚和电子化学家色姬-丝尼亚(Serge Cosnier)在这两种物质结合之前，先将它们物理装配在电极区域，然后用渗析袋的薄膜进行包裹。这种半透膜能够使产生电流的同时保持酶和氧化还原调解剂避免渗漏。这种解决方法使科学家有机会调查分析人体内最具适应能力的酶物质，在此之前研究人员往往对此疏忽。

这种植入电池供电方式依赖于装载葡萄糖氧化酶和多酚氧化酶的混合石墨盘，它的两极总共占据5毫升燃料电池中的0.266毫升，最高可产生6.5微瓦电流。关于该燃料电池的具体实现方法发表在《公共科学图书馆·综合》期刊上。

研究人员强调称，1毫升体积的该电极相当于可产生24.4微瓦电流，这比10微瓦起膊器电流高出许多。同时，新型电池系统在体积上更具优势，起搏器体积通常为10-25毫升。

基于在老鼠实验体的成功测试，目前外科手术中已采用了这种设计原型进行人体植入手术，桑刚称，至今尚未发现这种电池不适合应用于人体的任何原因。他希望未来5-10年能够推广使用。

桑刚指出，第一个将燃料电池植入人体可适用于人造泌尿括约肌，该人造器官要求200微瓦电流。当前每年大约有10000万尿失禁患者饱尝前列腺移除后的痛苦，他们惟一的解决方法就是将一个沉重的泵植入患者阴囊，使患者小便时产生压力作用。未来更深入的研究目标可将燃料电池应用于人造肾，该人造器官需要20微瓦电流，人造心脏也是研究目标之一，但该器官需要至少几瓦电流。

未参与这项研究的新墨西哥州大学化学物理学家和化学工程师普拉曼-阿塔那索维(Plamen Atanassov)说：“这种人体植入装置使植入式生物燃料电池表现出更高的等级。”但他同时强调，目前所存在的问题是是否该装置能够带来最强大的有效性，我认为它在使用过程中仍有局限性。问题在于该装置产生的细胞外液体所产生的氧气等级比正常葡萄糖低1000倍，我并不认为它能够完全供给氧气。

通过修补酶和氧化还原调解剂，桑刚对于这一装置表现得非常自信，在一项未公开的研究实验中，桑刚和研究同事有效地提高酶和氧化还原调解剂性能50%，同时他们强调指出，由葡萄糖生物燃料电池充电的人造心脏仍是未来长期的研究目标。