美設計人造發電細胞 可為人體移植設備提供動力

2020-12-05 科學網

 

美國耶魯大學研究人員表示,他們成功地設計出了具有非凡發電本領的人造細胞,這些細胞比它們模仿的自然發電細胞更強更有效,有望未來被用來為移植進人體中那些微小的醫療裝置提供動力。

 

據悉,研究人員此項研究起源於電鰻體內能夠產生能量的發電細胞。電鰻是將從食物中獲取的化學能轉化成電能,其體內有數以千計的發電細胞,最高電壓可達600伏特。他們設想是否能設計出人造發電細胞,並將其作為潛在的動力源。主要研究人員、耶魯大學化學工程系博士後許健(音譯)表示,電鰻產生電能的效率極高,能比許多電子設備產生更多的電。

 

許健在耶魯大學前機械工程助理教授大衛·拉萬的指導下做研究生時,曾設計出了首張展示電鰻發電細胞不同離子通道如何共同產生生物電能的藍圖。拉萬介紹說,但是他們並沒有就此停步,而是繼續研究以試圖了解這些細胞的工作機理,然而面臨的問題是「我們是否掌握了足夠多的知識以便能坐下來並開始構思如何來建造這些東西」,過去從來沒有人從事過這方面的工作。

 

最近,拉萬和許健設計出了能夠模仿發電細胞發電的人造細胞。他們建立的模型顯示,人造細胞發電能力比電鰻發電細胞的多出28%,同時化學能轉換成電能的效率高出38%。人們有可能利用幾十個人造細胞製造出很薄的微型生物電池,並用它來驅動移植進人體中的微小裝置。許健表示:「我們原想看看自然細胞是否已經實現了電能產出和能量轉化效率最大化。但結果發現人造細胞實際上能夠超過自然細胞,這的確讓人感到驚訝。」

 

雖然研究人員目前設計出了人造細胞,但是離實際的人造細胞建造還有相當的距離。其中較為關鍵的難題是人造細胞在產生電能前它們本身需要的動力來源。拉萬設想這些人造細胞可以採取類似於自然細胞的方式獲得動力。他表示,有可能讓細菌利用血糖再循環ATP為電池提供動力。有了動力,人造細胞或許有朝一日會取代電池來驅動移植在人體內的微小裝置。許健表示,由人造細胞組成的生物電池的優勢是在其失效後不會在人體內留下有害物質,它如同身體中的其他任何細胞。

 

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