18 декабря, 14:02

Потенциально имплантируемые источники тока на основе нанобиокомпозитных материалов

 Шлеев Сергей Валерьевич 1'2',

доктор химических наук, профессор
shleev@inbi.ras.ru

Панкратов Дмитрий Васильевич 1',2',
кандидат химических наук

Парунова Юлия Михайловна 1',
кандидат химических наук

Попов Владимир Олегович 1'2',
доктор химических наук, член-корреспондент РАН

[1] Национальный исследовательский центр
«Курчатовский институт»
[2] Институт биохимии им. А.Н. Баха Российской академии наук

 

Аннотация

  Активное развитие технологии создания имплантируемых самодостаточных (безбатарейных и беспроводных) биомедицинских устройств требует разработки современных устройств генерации и накопления электрической энергии, способных функционировать in vivo, например, самозаряжающихся безмембранных биосуперконденсаторов на основе нанобиокомпозитных материалов с низкой иммуногенностью.

Annotation

   Active technological development in the field of creation of implantable self-contained (wireless and self-powered) biomedical devices requires designing of modern devices for generation and storage of electric energy, which are able to operate in vivo, for instance, self-charging membrane less biosupercapacitors based on nanobiocomposite materials with low immunogenicity.

Введение в проблематику

   Разработка и модернизация имплантируемых устройств для непрерывного контроля и мониторинга состояния организма является одним из основных направлений развития современной медицинской электроники. Основным источником электрической энергии для имплантируемых устройств в настоящее время являются литиевые батареи. Несмотря на достаточно хорошие операционные характеристики, элементы питания во многих случаях являются самой большой и тяжелой частью беспроводных устройств, функционирующих внутри тела человека. Кроме того, срок работы современных литиевых батарей ограничен 5 годами, после чего источник энергии должен быть заменен при помощи опасных и дорогостоящих хирургических процедур.

   Одним из способов решения данной проблемы является беспроводная передача электрической энергии с использованием электромагнитного излучения. Однако, наряду с очевидными преимуществами, данный метод обладает рядом недостатков (низкая плотность энергии, сложность в изготовлении устройств, негативное влияние электромагнитного излучения на биологические объекты), делающих его практическое применение затруднительным.

   Потенциальная возможность эксплуатации топливных элементов (ТЭ, рис. 1) как устройств для непрерывного производства электрической энергии из химической энергии, за счет веществ содержащихся в теле человека, была показана в 1960-х годах [1]. Теоретически, имплантированные ТЭ могут производить электрическую энергию в течение всей жизни человека, так как, по аналогии с аэробным окислением, биотопливо и биоокислитель непрерывно доставляются в органы и ткани, а продукты их трансформации либо утилизируются организмом, либо выводятся наружу.


 ТЭ, в составе которых используются биокатализаторы, называются биотопливными элементами (БТЭ). Среди многих различных биокатализаторов (оксидоредуктазы, органеллы, живые клетки) редокс ферменты выделяются исключительно высокой скоростью катализа, достигая каталитического числа оборотов 107 с-1 [2], т.е. близко к диффузионно-контролируемым скоростям окислительно-восстановительных реакций. Таким образом, как минимум теоретически, ферменты могут быть использованы для создания БТЭ, обладающих наибольшей мощностью по сравнению с микробными, митохондриальными биоустройствами и даже современными ТЭ (Рис. 1).

 

 Рис.1 - Сравнение различных устройств, производящих электрическую энергию (из работы [3] с изменениями и дополнениями)

  В настоящее время большое число статей посвящено изготовлению и описанию характеристик наноструктур на основе ферментов и различных наноматериалов, таких как наночастицы, углеродные нанотрубки, графен, металлы с нанопористой поверхностью и др., для создания потенциально имплантируемых биотопливных элементов (БТЭ) [4]. Однако основные параметры биоустройств, например, удельная мощность и операционная стабильность, зарегистрированные при функционировании in vitro и особенно in vivo [4,5], не пригодны для их практического использования, по крайней мере, на сегодняшнем уровне развития микроэлектроники.

  Современные достижения в области биохимии, электрохимии и материаловедения позволяют рассмотреть возможность создания принципиально новых гибридных устройств на основе нанобиокомпозитных материалов, обеспечивающих одновременную генерацию и накопление электрической энергии (ожидаемые характеристики отмечены звездой на рис. 1).

Создание гибридных потенциально имплантируемых источников тока

   До настоящего времени в научных работах как отечественных, так и зарубежных исследователей, вопросы получения и накопления электрического заряда исследовались раздельно, в связи с чем устройства с функциями одновременной генерации и накопления электрической энергии не были сконструированы, изучены и использованы по назначению.

   Однако, как видно из данных рис. 2, удачное совмещение свойств ТЭ и электрохимического конденсатора (суперконденсатора, СК) может привести к созданию самозаряжающихся безмембранных биосуперкон-денсаторов (СББСК) - гибридных устройств, сочетающих в себе преимущества как энергогенерирующего (ТЭ), так и энергозапасающего (СК) компонентов.

   Биоэлектроды, необходимые для создания СББСК, могут быть как биоанодами, накапливающими электроны за счет реакций биоэлектроокисления, так и биокатодами, накапливающими положительный заряд в результате биоэлектровосстановительных реакций. Для получения высокоэффективных структур оба электрода должны иметь трехмерную структуру и являться редокс активными, т.е. проявлять гибридную емкость: способность к накоплению энергии электростатически (за счет двойного электрического слоя) и электрохимически (за счет обратимых фарадеевских реакций переноса заряда). Подобным условиям удовлетворяют композиты на основе углеродных наноматериалов (нанотрубок (УНТ), наночастиц, графена), модифицированных электропроводящими полимерами (полианилина (ПАНИ), полипиррола, полиэтилендиокситиофена и т.п.), обладающие высокой емкостью (до 3,4 кФ г-1) [6] и способностью к эффективному и долговременному сохранению (аккумулированию) электрических зарядов.

Рис.2 - Сравнение различных источников электрической энергии (из работы [7] с изменениями и дополнениями)

  Для эффективного биоэлектрокаталитического функциониро­вания электроды должны быть должным образом модифицированы соответствующими биоэлементами, т.е. активными и стабильными ано­дными (окисляющими биотопливо) и катодными (восстанавливающи­ми биоокислитель) редокс ферментами с последующей оптимизацией путем определения оптимального соотношения количества биоком­понента к рабочему объему нанобиокомпозитных устройств, содержа­щих редокс активные органические полимеры, зависимости скорости электронного переноса в трехмерных нанобиоструктурах от диф( >узии субстрата/продуктов, изучения возможного ингибирования и эффек­тов активации/деактивации, зависимости тока утечки от фарадеевской емкости и емкости двойного электрического слоя.

  Следует отметить, что в последние годы появилось большое ко­личество статей, посвященных описанию методов иммобилизации ре­докс ферментов на поверхности различных электродов, основанных на нанокомпозитах, и их использованию для изготовления биосенсоров и производства электрической энергии [8,9]. Однако электроды с двойной функцией генерации и накопления электричества не были изготовлены в данных работах ввиду сложного механизма электронного переноса в нанобиокомпозитах, который должен быть принят во внимание при конструировании самозаряжающихся биоустройств.

 Разработанные СББСК, изготовленные на основе трехмерных нанобиокомпозитов, должны иметь простую конструкцию и быть до­ступными для интеграции с имплантируемыми или одноразовыми устройствами с функциями сенсоров или доставки лекарств, таких как биосенсоры, электрокардиостимуляторы нового поколения, автомати­ческие микроинъекторы инсулина, и т.п.

  Оптимальным результатом работы является достижение следу­ющих параметров устройств: (1) энергогенерирующая составляющая СББСК - плотности тока, близкие к мА см-2, максимум мощности при напряжении, превышающем 0,4 В, а также долговременная операцион­ная стабильность электродов более 10 дней и срок годности более меся­ца без потери активности, (2) для суперконденсаторной составляющей - удельная емкость более 500 Ф г-1 и время половины саморазряда более одного месяца.

Отечественный потенциал создания гибридных биоэнергети­ческих устройств

  Использование современных достижений коллектива «Белковой фабрики» Курчатовского НБИКС-Центра НИЦ «Курчатовский инсти­тут» в сотрудничестве с научными группами Университетов г. Мальмё и Лунда (Швеция) позволило разработать первые неоптимизированные образцы СББСК [10].

 


Рис.З - Схема СББСК на основе редокс ферментов, иммобилизованных на наночастицах золота (энергогенерирующая часть), и УНТ, модифицированных ПАНИ (энергонакопительная часть)

  Плотность энергии, полученная с использованием гибридных биоустройств в пульсовом режиме, превышает таковую для биотопливных элементов в 60 раз (740 и 12 мкВт см-2, соответственно) при функционировании в буферных растворах. Исследование разработанных биоустройств в режиме «заряд-разряд» показало отличную воспроизводимость в течение 10 циклов (25 часов).

  Полученные результаты свидетельствуют о перспективности дальнейших разработок в данном направлении и оптимизации биоустройств для исследований in vivo (имплантация в мозговую ткань, крупные сосуды, а также забрюшинное пространство крыс), а также потенциальной возможности их использования в качестве источников питания как имплантированных биосенсоров и других инвазивных датчиков измерения и контроля параметров работы жизненно важных органов и тканей, т.е. низкоэнергетических устройств непрерывного действия, так и, например, стимуляторов сердца, т.е. имплантируемых биомедицинских устройств, работающих в импульсном режиме с большой разовой затратой электрической энергии.

  Следует отметить необходимость и перспективность сотрудничества с группами, специализирующимися в области иммунобиохимии (Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН), нейробиологии (отдел нейронаук НИЦ «Курчатовский институт»), а также теоретической и прикладной биохимии (кафедра электрохимии Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН).

Выводы

  Создание потенциально имплантируемых гибридных самозаря-жающихся безмембранных биосуперконденсаторов на основе нанобио-композитных материалов является крайне перспективным направлением для развития технологии создания самодостаточных биоэлектронных устройств.

 В заданном виде решение представленной задачи будет завершено по достижению следующих результатов:

1. Создание высокоэффективных стабильных биоэлектродов на основе оксидоредуктаз человека и животных.
2. Разработка редокс активных нанокомпозитов с пониженной иммуногенностью, проявляющих гибридную емкость и обладающей высокой стабильностью в процессе заряда/разряда.
3. Объединение оптимизированных компонентов в аутотолерантные СББСК, способные к непрерывному функционированию in vivo в течение длительного времени без существенного снижения основных характеристик (плотность тока и рабочее напряжение).

Литература

1. Talaat М., Kraft J., Cowley R., Khazei A. Biological electrical power extraction from blood to power cardiac pacemakers, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. BME-14 (4), 1967, R 263-265.
2. Garrett R. H. and Grisham С. M. Biochemistry. 4 ed., Cengage Learning, Inc.: Boston, 2008,1058 pp.
3. Oman H. Advances in lithium and nickel-metal hydride battery performance, MRS Bulletin, Vol. 24 (11), 1999, R 33-39.
4. Falk M., Narvaez Villarrubia C. W., Babanova S., Atanassov P., Shleev,
S. Biofuel cells for biomedical applications: colonizing the animal kingdom, ChemPhysChem, Vol. 14,2013, P. 2045-2058.
5. Andoralov V, Falk, M., Suyatin D. B., Granmo M., Sotres J., Ludwig R., Popov V. O., Schouenborg J., Blum Z., Shleev S. Biofuel cell based on microscale nanostructured electrodes with inductive coupling to rat brain neurons, Scientific Reports, Vol. 3270,2013, P. 1-11.
6. Kuila В. K., Nandan B., Bohme M., Janke A., Stamm M. Vertically oriented arrays of polyaniline nanorods and their super electrochemical properties, Chemical Communications, No. 38,2009, P. 5749-5751.
7. Halper M., Ellenbogen J. Supercapacitors: a brief overview, MITRE Corporation Report, Report No. MP 05W0000272, 2006. 8. Szczupak A., Halamek J., Halamkova L. Living battery - biofuel cells operating in vivo in clams, Energy and Environmental Science, Vol. 5,2012, P. 8891-8895.
10. Zhong H., Yuan R., Chai Y„ Li W., Zhong X., Zhang Y. In situ chemo-synthesized multi-wall carbon nanotube-conductive polyaniline nanocomposites: characterization and application for a glucose amperometric biosensor, Talanta, 2011, Vol. 85 (1), P. 104-111.
11. Pankratov D., Blum Z., Suyatin D. B., Popov V. O., Shleev S. Self-charging electrochemical biocapacitor. ChemElectroChem. DOI: 10.1002/ celc.201300142.

 

Ссылка на сборник докладов