Кожный пигмент использовали для создания биоаккумулятора

Меланин может не только защищать кожу, но и питать миниатюрные устройства

(фото Emergency Brake/Flickr).

Литиево-ионные аккумуляторы весьма распространены на рынке, но из-за того что они содержат токсичный элемент ≈ литий, использовать их внутри человеческого организма невозможно

(фото Heather Kennedy/Flickr).

Литиево-ионные аккумуляторы очень распространены на рынке, поскольку они способны долго держать заряд и эффективно снабжать устройства и приборы электроэнергией. Но, из-за того что они содержат токсичный элемент — литий, использовать их внутри человеческого организма невозможно. Для медицинских целей необходимо изготавливать особые аккумуляторы из биологически совместимых материалов.

"Если бы мы могли безопасно глотать устройства, то множество диагностических проблем сошло бы на нет. Биологические материалы позволят избежать инфекций и воспаления, которые связаны с медицинскими имплантатами. В роли таких материалов должны выступать природные вещества — вода, натрий и меланин", — говорит ведущий автор нового исследования, материаловед Кристофер Беттингер (Christopher Bettinger).

Меланин — природный пигмент, благодаря которому кожа человека или животного приобретает загар и защищается от вредного солнечного излучения. Исследователи из университета Карнеги-Меллона в Питтсбурге предложили использовать меланин для создания абсолютно безопасных, биологически совместимых батареек, которые можно будет широко применять в медицинской практике для доставки лекарств или внутреннего мониторинга состояния пациента.

Меланин может не только защищать кожу, но и питать миниатюрные устройства (фото Emergency Brake/Flickr).

Для создания биоаккумулятора Беттингер и его команда сконструировали аноды из смеси веществ, содержащей большое количество меланина. Затем в эту смесь они ввели ионы натрия, после чего поместили её в конструкцию из стальной сетки. Равномерная химическая структура меланина позволяет вместить большое количество ионов, что является определяющим фактором мощности будущего аккумулятора. Полученная батарея может держать заряд до 5 часов, что несколько меньше, чем у коммерческих литиево-ионных аккумуляторов, но уже довольно много для биологически совместимого устройства.

В качестве других биоматериалов, которые можно потенциально использовать как электроды, исследователи также рассматривали растительные вещества. Но оказалось, что для того чтобы изготовленные таким образом аккумуляторы держали заряд, потребуются дополнительные химические модификации. Меланин же может быть использован в своей природной форме, к тому же, его можно забрать прямо из кожи пациента.

Тем не менее, использование источника энергии с гораздо более высокой плотностью пигмента, например, чернил кальмара, было бы более эффективным, но менее безопасным и бюджетным.

Литиево-ионные аккумуляторы весьма распространены на рынке, но из-за того что они содержат токсичный элемент — литий, использовать их внутри человеческого организма невозможно (фото Heather Kennedy/Flickr).

"Идея состоит в том, что такие технологии могут быть использованы в качестве источников питания для устройств, вживляемых в организм. К примеру, они могут контролировать процесс заживления ран, доставлять лекарства непосредственно в поражённую область, а по окончании лечения выводиться из тела естественным путём. Подобные устройства могут также помочь в лечении раковых опухолей, переломов и порванных связок", — рассказывает Беттингер.

Интересно, что естественный меланин оказался более эффективным носителем заряда, чем его синтетические аналоги. Единственная проблема на сегодняшний день — это небольшой временной период, за который биоаккумулятор успевает разрядиться. Ключ к её решению находится в структуре вещества: если придумать, как сделать её более губчатой и менее плотной, время работы аккумулятора увеличится.

Подробнее о разработке можно узнать из статьи Беттингера и его коллег, опубликованной в журнале PNAS.

Также по теме:
Биоинженеры создали подкожный датчик из нанотрубок
Учёные напечатали на 3D-принтере микроскопические батарейки
Инженеры представили растягивающийся в три раза аккумулятор
Учёные изобрели подкожный микрочип для постоянной диагностики здоровья
Электронные татуировки будут следить за активностью мозга