Биотопливные ячейки на основе ферментов были имплантированы в омаров и смогли генерировать достаточное количество электричества, чтобы стать источником питания для часов. В другом эксперименте та же группа исследователей, что продемонстрировала «часы, работающие на омарах», поместила биотопливные ячейки в капиллярную систему, имитирующую кровеносную систему человека, и использовала их для питания электронного стимулятора сердца.

Биотопливные ячейки, сопряженные с ферментами, могут генерировать электрическую энергию, перерабатывая биологическое топливо, например – глюкозу. Это обстоятельство позволяет ученым надеяться, что однажды они смогут создать имплантированные в организм человека медицинские устройства, работающие за счет переработки биологического топлива, которое человек получает с питанием.

Имплантация таких устройств в организм человека до настоящего времени является сложно задачей, однако систему подобного рода уже были успешно имплантированы в организм кроликов, крыс, насекомых и моллюсков. Тем не менее, даже и для таких случаев исследователи пока еще не делали попыток использовать эти ферментные топливные ячейки для питания настоящих электронных устройств, так как эти топливные ячейки не создают достаточного напряжения (разность потенциалов, создаваемая такими источниками питания, пока не превышала 0.5Вольт).

Рис. 1. Два омара генерируют достаточное количество
энергии для питания часов. Биотопливные ячейки с
сывороткой крови человека приводят в действие стимулятор
сердца. (Рисунок из Energy Environ. Sci., 2012,
DOI: 10.1039/c2ee23209j).

Исследователи из группы Евгения Катца (Evgeny Katz), ранее уже работавшие с имплантацией биотопливных ячеек в организм улиток и двухстворчатых моллюсков, имплантировали новые биобатарейки, связанные между собой в двух живых омаров. Электроды ячейки, модифицированные ферментами, катализируют окисление глюкозы и восстановление кислорода в жидкости, циркулирующей по организму омара, генерируя электрический ток. Исследователи обнаружили, что система создает достаточно тока для того, чтобы обеспечивать работу часов (1.2 Вольт).

Во время второго теста исследователи объединили пять топливных ячеек в единую батарею и поместили эту батарею в проточную систему с сывороткой человеческой крови. Для моделирования естественных условий они вводили в этот раствор различные концентрации глюкозы – уровни глюкозы, соответствующие здоровому голодному человеку, голодному сытому человеку и человеку, страдающему диабетом. Помимо концентрации глюкозы варьировалась скорость потока – это моделировало состояние покоя человека или состояние его физической активности. Батарея из пяти топливных элементов была в состоянии давать энергии достаточно для работы стимулятора сердца, что, в перспективе, может означать возможность разработки стимуляторов без источников питания, для замены которых требуются плановые операции.

Омары, несущие на себе электронные датчики, способные фиксировать и осуществлять беспроводную передачу сигнала, и обеспечивающие такую аппаратуру энергией, могут найти применение в военном деле, национальной безопасности или мониторинге состояния окружающей среды. Топливные ячейки же, способные работать в кровотоке и черпать энергию непосредственно «из тела» человека, безусловно, окажутся полезными для биомедицинских применений, включая нейростимуляторы мозга, кохлеарные импланты и инсулиновые насосы.

Тем не менее до имплантации новых устройств в тело человека и разработки бионических систем еще необходимо решить целый ряд задач.

• Во-первых, необходимо увеличить напряжение, которое выдают биотопливные ячейки для успешного их подключения к электронным устройствам, и эта проблема, по словам Катца, уже решается, и о способе ее решения будет написано уже в ближайшей новой публикации исследователей;
• во-вторых, необходимо стабилизировать биокаталитические электроды для возможности их долговременного использования, а вот для решения этой задачи может потребоваться уже несколько лет.