Химики из университета Мальмё (Швеция) и Курчатовского института впервые испытали на человеке топливный элемент, способный вырабатывать электричество при контакте с потоком крови. Его мощности оказалось достаточно для того, чтобы обеспечить электричеством небольшой дисплей на электронных чернилах. Исследование опубликовано в журнале RSC Advances, кратко о нем сообщает блог Королевского химического общества.

Устройство состоит из двух трубчатых графитовых электродов, через которые идет ток крови. На каждом из них протекают определенные электрохимические реакции. На первом происходит окисление глюкозы, сопровождающееся выделением в окружающую среду ионов водорода. На втором электроде происходит реакция восстановления кислорода, растворенного в крови — в результате нее из четырех ионов водорода и одной молекулы кислорода образуются две молекулы воды. В итоге между двумя электродами возникает электрическое напряжение. Точно такой же процесс, но основанный на более простых реакциях, происходит в одном из классических опытов, в ходе которого между медным и цинковым гвоздями, воткнутыми в лимон, возникает электрический ток. 

Эксперимент по получению электричества из тока крови. Слева — неактивный e-ink дисплей, справа — подключенный к топливному элементу. Dmitry Pankratov et al. / RSC Advances, 2016

На поверхности электродов нанесены белки-ферменты, ускоряющие эти химические реакции. Окисление глюкозы (до глюконолактона), к примеру, катализирует целлобиозодегидрогеназа, а восстановление кислорода — результат активности билирубиноксидазы, окисляющей билирубин крови до биливердина.

В ex vivo эксперименте добровольцу из научной группы ввели в срединную локтевую вену катетер. На другом его конце находился топливный элемент, через который кровь стекала в заранее подготовленный сосуд. Ученые измеряли напряжение и ток, генерируемые элементом, а также подключили к нему небольшой e-ink дисплей. Эксперимент показал, что несмотря на относительно небольшую мощность элемента, всего 0,74 микроватта, ее хватило, чтобы изменить рисунок на дисплее. Рабочее напряжение элемента составило десятые доли вольта. Всего провели пять таких экспериментов, каждый из которых соответствовал потере крови волонтером от 200 миллилитров.

Подключение e-ink дисплея к топливному элементу, работающему на окислении глюкозы крови. A, B, C, D — схема подключения катетера, E — e-ink дисплей, получающий питание от топливного элемента рядом с неактивным дисплеем. Dmitry Pankratov et al. / RSC Advances, 2016

Исследователи отмечают, что все предшествующие работы по разработке подобных устройств сопровождались экспериментами in vitro — «в пробирке». Такие опыты не учитывают вязкость крови, скорость ее потока и многие другие параметры кровеносной системы человека.

Эксперимент по получению электричества из крови. Dmitry Pankratov et al. / RSC Advances, 2016

Топливными элементами называются электрохимические ячейки, создающие разность потенциалов благодаря реакциям окисления и восстановления, протекающим на их электродах. В отличие от традиционных гальванических элементов — например, аккумуляторов, «топливо» для электрохимических реакций поступает в них извне в неограниченных количествах. Емкость же аккумуляторов ограничена запасенным в них веществом.

Автор: Владимир Королёв