L'image montre des fibres de coton unies et des fibres de coton métalliques utilisées comme électrodes dans une nouvelle pile à combustible. Crédit :Georgia Tech/Université de Corée
Une biopile alimentée au glucose qui utilise des électrodes en fibre de coton pourrait un jour aider à alimenter des dispositifs médicaux implantables tels que des stimulateurs cardiaques et des capteurs. La nouvelle pile à combustible, qui fournit deux fois plus de puissance que les biopiles conventionnelles, pourrait être associé à des batteries ou des supercondensateurs pour fournir une source d'alimentation hybride pour les dispositifs médicaux.
Des chercheurs du Georgia Institute of Technology et de l'Université de Corée ont utilisé des nanoparticules d'or assemblées sur le coton pour créer des électrodes à haute conductivité qui ont contribué à améliorer l'efficacité de la pile à combustible. Cela leur a permis de relever l'un des défis majeurs limitant les performances des biopiles :connecter l'enzyme utilisée pour oxyder le glucose avec une électrode.
Une technique d'assemblage couche par couche utilisée pour fabriquer les électrodes en or, qui fournissent à la fois la cathode électrocatalytique et le substrat conducteur pour l'anode, a permis d'augmenter la capacité de puissance jusqu'à 3,7 milliwatts par centimètre carré. Les résultats de la recherche ont été publiés le 26 octobre dans le journal Communication Nature .
"Nous pourrions utiliser cet appareil comme source d'alimentation continue pour convertir l'énergie chimique du glucose dans le corps en énergie électrique, " a déclaré Seung Woo Lee, professeur adjoint à la Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Tech. "La technique de dépôt couche par couche contrôle avec précision le dépôt de la nanoparticule d'or et de l'enzyme, augmentant considérablement la densité de puissance de cette pile à combustible.
La fabrication des électrodes commence avec une fibre de coton poreuse composée de plusieurs microfibrilles hydrophiles, des fibres de cellulose contenant des groupes hydroxyle. Des nanoparticules d'or d'environ huit nanomètres de diamètre sont ensuite assemblées sur les fibres à l'aide de matériaux de liaison organiques.
Pour créer l'anode pour oxyder le glucose, les chercheurs appliquent l'enzyme glucose oxydase en couches alternées avec une petite molécule à fonction amine connue sous le nom de TREN. La cathode, où a lieu la réaction de réduction de l'oxygène, utilisé les électrodes recouvertes d'or, qui ont des capacités électrocatalytiques.
Les images au microscope électronique à balayage montrent les détails des électrodes à base de coton utilisées dans une nouvelle pile à biocombustible. Crédit :Georgia Tech/Université de Corée
"Nous contrôlons précisément le chargement de l'enzyme, " Lee a déclaré. "Nous produisons une couche très mince afin que le transport de charge entre le substrat conducteur et l'enzyme soit amélioré. Nous avons établi une connexion très étroite entre les matériaux afin que le transport des électrons soit plus facile."
La porosité du coton a permis d'augmenter le nombre de couches d'or par rapport à une fibre de nylon. "Le coton a de nombreux pores qui peuvent soutenir l'activité dans les appareils électrochimiques, " a expliqué Yongmin Ko, un membre du corps professoral invité et l'un des co-auteurs de l'article. "La fibre de coton est hydrophile, ce qui signifie que l'électrolyte mouille facilement la surface."
Au-delà de l'amélioration de la conductivité des électrodes, la fibre de coton pourrait améliorer la biocompatibilité de l'appareil, qui est conçu pour fonctionner à basse température pour permettre une utilisation à l'intérieur du corps.
Les biopiles implantables se dégradent dans le temps, et la nouvelle cellule développée par l'équipe américaine et coréenne offre une stabilité à long terme améliorée. "Nous avons une performance record de puissance élevée, et la durée de vie devrait être améliorée pour les applications biomédicales telles que les stimulateurs cardiaques, " dit Lee.
Les stimulateurs cardiaques et autres dispositifs implantables sont désormais alimentés par des batteries qui durent des années, mais peut encore nécessiter un remplacement dans une procédure nécessitant une intervention chirurgicale. La biopile pourrait fournir une charge continue pour ces batteries, prolonger potentiellement la durée de fonctionnement des appareils sans remplacement de la batterie, Lee a ajouté.
En outre, la biopile pourrait être utilisée pour alimenter des appareils destinés à un usage temporaire. De tels dispositifs peuvent être implantés pour fournir une libération programmée d'un médicament, mais se biodégraderait avec le temps sans nécessiter d'ablation chirurgicale. Pour ces applications, aucune batterie ne serait incluse, et la puissance limitée requise pourrait être fournie par la pile à biocarburant.
Les objectifs futurs de la recherche comprennent la démonstration du fonctionnement de la biopile avec un dispositif de stockage d'énergie, et le développement d'une source d'énergie implantable fonctionnelle. "Nous voulons développer d'autres applications biologiques pour cela, " a déclaré Lee. " Nous aimerions aller plus loin avec d'autres applications, notamment les batteries et le stockage haute performance. "
