2007-10-02

Populärvetenskaplig beskrivning

Fick mail om att min VR-ansökan registrerats i alla fall, så nu är den offentlig handling. Om någon undrar vad det är jag sysslar med så är det här den populärvetenskapliga beskrivningen av projektet jag söker pengar för.


Implanterbara biobränsleceller
När efterfrågan på implanterbara medicinska instrument, såsom glukosmätare för diabetiker eller temperaturkontrollsystem vid operationsområden, ökar så blir också behovet av små, implanterbara strömkällor allt större. Dagens batterier innehåller många reaktiva, korrosiva eller toxiska kemikalier och för att skydda såväl batteriet som omgivningen är de inneslutna i ett hårt skal av stål. När batterierna görs mindre upptar skalet en dominerande del av deras volym. De minsta batterierna idag har en volym på knappt 50 mm3, långt större än de integrerade kretsar de skall försörja.

En lösning på strömförsörjningsproblemet kan vara implanterbara biobränsleceller. Bränsleceller omvandlar kemisk energi direkt till elektrisk med hög effektivitet. I traditionella bränsleceller omvandlas väte och syre till vatten i två separata halvreaktioner där väte först blir av med sina elektroner vid anoden för att sedan reagera med negativt laddat syre vid katoden. Det hela sker med hjälp av en katalysator, vanligen platina. I en biobränslecell är platinat ersatt av organiska katalysatorer, enzymer som teoretiskt kan nå än högre verkningsgrad. Genom att välja rätt enzym kan man se till att utnyttja bränslen som finns naturligt i kroppen. Mest lovande är för närvarande glukos-syre-cellen som använder glukos som bränsle och syre som oxidant, enligt schemat
glukos --> gluconolactone + 2H+ + 2e
- (anod)
O
2 + 2H+ + 2e- --> H2O (katod)

Både bränsle och oxidant förekommer naturligt t.ex. i blod. En annan fördel är att enzymerna är selektiva vilket medför att man inte behöver ett membran för att separera anod- och katodprocesserna. För att skapa en kommerisaliserbar implanterbar bränslecell krävs att man ökar effektiviteten och strömtätheten från dagens experimentceller. Både anod- och katodreaktionen katalyseras av enzym och det största problemet är att elektronutbytet mellan enzym och katod är mycket långsamt.

För att öka effektiviteten krävs att man använder förmedlingsmolekyler som kan transportera laddning mellan elektroden och enzymet.

Det är ganska väl etablerat att anoden kommer att använda proteinet glukosoxidas som katalysator, men vad som är bäst för katoden är ännu inte klart. Hittills har enzymet bilirubinoxidas (BOD) varit mest effektivt. BOD är dock väldigt dyrt och ett mer ekonomist fördelaktigt alternativ skulle vara multikopparenzymet laccas. Tyvärr har laccas ganska dålig effektivitet vid pH runt 7, som är det neutrala i kroppen. Det är möjligt att utvinna laccas med effektivitetsmaximum vid pH=7, men än så länge är effektiviteten ganska dålig.

Det föreslagna projektet skall fokusera på utvecklingen av en effektiv enzymkatalyserad biokatod som kan användas som ena halvan i en bränslecell. Erfarenheter från utvecklingen av en effektiv katod kan naturligtvis även överföras på vidareutveckling av befintliga bioanoder.

För att öka strömtätheten kommer elektriskt ledande nanopartiklar immobiliseras på katodytan tillsammans med mediatormolekyler och enzym. Man försöker minimera avståndet mellan de tre komponenterna samtidigt som den effektiva arean maximeras.

Flerväggiga kolnanorör är elektriskt ledande rör av kol som har en diameter på 5–50 nm och en längd från några hundra nanometer till hundratals mikrometer. Kolnanorör kan immobiliseras tillsammans med mediatormolekyler och enzym i en porös sol-gel för att öka dess yta och konduktivitet. Det finns också lovande indikationer på att kolnanorör kan fungera för direkt elektronöverföring till elektroden, utan mediator. Ett annat sätt att använda kolnanorör är att växa täta skogar av nanorör från elektrodytan. Detta ger en yta med stor aktiv area och möjlighet till ytterligare modifiering. En stor del av projektet går ut på att undersöka möjligheterna att använda kolnanorör för modifiering av elektrodytan för att effektivisera elektronutbytet mellan enzym och elektrod.

Nanorör kan också växas i väl definierade mönster som t.ex. kan integreras tillsammans med de detektorer man behöver ström till. Den heliga graalen är en implanterbar lab-on-a-chip-applikation där en strömkälla i form av en minatyriserad biobränslecell är integrerad på samma chip som övrig instrumentering.

För övrigt fann jag den här artikeln fantastiskt rolig, särskilt den förklarande bilden (från ITER). Är det så här det låter när forskare pratar?

Dagens ord är bränslecell som heter ogniwo paliwowe på polska.

Andra bloggar om: , , , , .

3 kommentarer:

Harald Cederlund sa...

Intressant projekt - smart om man kan använda glukoset i blodet för att driva apparater. Hur hållbart är enzymet frågar man sig dock?

Tycks handla om liknande frågeställningar som i forskningen kring mikrobiella bränsleceller - där man låter mikroorganismer sköta jobbet. Kanske kunde man ha en liten odling av mänskliga celler på motsvarande sätt - som sköter glukosnedbrytningen?

mj sa...

Jag hade missad din artikel om de mikrobiella bränslecellerna, men i maj visste jag ju ingenting om att jag skulle jobba inom det här området. Intressant.

Enzymen är stabila i dagar till någon vecka i bästa fall, det handlar alltså inte om någon långtidsströmförsörjning, utan om att ge energi till en sensor under en kort tid. Jag tror att tex en pacemakerbränslecell skulle kräva en mindre revolution inom enzymutvecklingen först. Men man jobbar ju ständigt på att förbättra enzymen också, så omöjligt är det ju inte.

Malin Sandström sa...

Det låter väldigt intressant, coolt projekt! Men det är klart att långtidsstabilitet skulle öppna upp en hel del nya tillämpningar (även för små sensorer blir det lite väl jobbigt att operera in nya varannan vecka, kanske med undantag för riktigt ytliga sensorer).