Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Предложена «сладкая» подзарядка для нейроинтерфейсов
Ученые МФТИ и НИЦ «Курчатовский институт» разработали высокоэффективный биотопливный источник питания на основе глюкозы и многостенных углеродных нанотрубок для непрерывной работы нейроимплантов. Устройство продемонстрировало хорошие результаты работы на мозге крыс.
Исследование опубликовано в журнале IEEE. За последние десятилетия значительно продвинулись разработки в области активных имплантируемых медицинских устройств. Это открывает широкие перспективы для восстановления функций поврежденных органов, в том числе сердца и мозга. Однако основным недостатком традиционных устройств по-прежнему остается использование литий-ионных аккумуляторов в качестве источника питания. Эти батареи громоздки, состоят из токсичных материалов и требуют периодической замены путем хирургических вмешательств.
Ферментный биотопливный элемент (ФБТЭ) обещает стать технологическим прорывом в области энергоснабжения медицинских устройств. Сам элемент представляет собой электрогенератор, который постоянно вырабатывает энергию за счет ресурсов организма пациента. Усовершенствованные долгоживущие нейроинтерфейсы будут востребованы в области лечения нейродегенеративных и неврологических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и последствия эпилепсии.
В своей повседневной деятельности организм человека производит несколько видов энергии: механическую (дыхание и сердцебиение, мышечное сокращение, артериальное давление), тепловую и биохимическую. Этим полезным свойством и пытаются воспользоваться ученые. Например, уже существуют устройства, работа которых основана на фотоэмиссионном эффекте (выработка электронов под действием света) или термоэлектрическом (преобразование разности температур в электрическое напряжение). Однако само преобразование такой энергии в организме человека до сих пор не является стабильным процессом.
В свою очередь ферментатный биотопливный элемент можно рассматривать как устройство, которое способно добиться стабильного преобразования химической энергии органических веществ в электричество путем окисления сахаров (глюкозы) из физиологических жидкостей.
Глюкоза широко распространена в организме и играет жизненно важную роль в качестве основного источника энергии. Ее концентрация поддерживается благодаря естественной саморегуляции — гомеостазу. Потребление глюкозы биотопливным элементом минимально и, следовательно, не влияет на гомеостаз. Эти свойства дают возможность для создания устройств пожизненной имплантации.
«Новаторство нашей работы в том, что мы разработали способ, при котором стало возможным обеспечить производство электричества внутри организма за счёт окисления органических веществ, а именно глюкозы. Это позволит устанавливать нейроимпланты с естественным генератором энергии вместо традиционных литий-ионных аккумуляторов, которые склонны разряжаться и требуют замены каждые 5–10 лет. Биотопливный элемент подходит и для кардиостимулятора, и нейростимулятора, имплантов для восстановления слуха. У него максимально широкое применение. Кроме того, в нашем исследовании был предложен способ, при котором можно питать нейроимпланты благодаря глюкозе, которая находится в ликворе — спинномозговой жидкости. Пока мы провели серию успешных испытаний на крысах, что открывает возможность для будущих испытаний на более крупных млекопитающих», — рассказала о работе Екатерина Вахницкая, магистрантка МФТИ.
Биотопливный элемент весьма компактен и состоит из двух микроэлектродов. На аноде фермент расщепляет глюкозу с образованием протонов и электронов. На катоде происходит реакция восстановления кислорода при участии протонов, проходящих через электролит, и электронов, которые протекают через внешнюю электрическую цепь.
Первоочередная задача ученых — добиться высокой эффективности электродов, которые влияют на эффективность происходящей окислительно-восстановительной реакции. Для ее решения были использованы новые композитные материалы, в том числе многостенные углеродные нанотрубки, которые создаются из свернутых слоев атомов углерода в виде полых цилиндрических структур.
Екатерина отметила, что композитный материал, который состоит из последовательно нанесенных компонентов, позволяет добиться заданных свойств для анода. Например, углеродные нанотрубки обеспечивают увеличение площади поверхности и электропроводимости. За счет их применения можно адсорбировать и иммобилизовать больше фермента, а значит, получить более мощное устройство.
«Для бесперебойной работы нейроимплантов мы создали композитный анод. Самая большая проблема, препятствующая выработке энергии в организме, — это иммобилизация фермента. Композитный анод способен предотвратить диффузию фермента в окружающую жидкость: в кровь и ликвор. По сути, он удерживает их на аноде благодаря различным компонентам — полимерам, углеродным материалам. Для подтверждения нашей гипотезы мы провели серию измерений, которые показали, что мощность элемента не меняется, а значит, фермент остается иммобилизован на аноде», — подчеркнула Екатерина Вахницкая.
Разработчики отмечают, что для изготовления мощного биотопливного элемента важно учитывать такие значения, как выходное напряжение и удельную мощность, которые являются наиболее важными характеристиками источника питания.
В ходе экспериментальной работы на мозге крыс электроды были успешно имплантированы и проведены электрохимические измерения. Биотопливный элемент обеспечивал максимальную удельную мощность 51,8 мВт/см2 и максимальный потенциал открытой цепи 200 мВ. Эти результаты демонстрируют потенциальные возможности имплантации устройства в качестве долговременного источника питания для нейростимуляторов, а применение электропроводящих углеродных наноматериалов —одним из наиболее перспективных подходов для их производства.
Telegram 
Дзен 
VK Ученые Центра исследований интеллекта и когнитивного благополучия НИУ ВШЭ провели первый систематический анализ научных работ, посвященных особенностям восприятия эмоций по движениям при аутизме. Анализ показал, что различия между аутичными и неаутичными людьми во многом зависят от того, как именно устроен эксперимент и какие задачи предлагаются участникам.
Полевой маршал погиб во время франко-голландской войны, но до сих пор конкретное место захоронения не было известно. Найденный скелет формально согласуется с причиной смерти шевалье д'Артаньяна (вопреки беллетристике, это был один из его титулов, а не имя). Анализ ДНК должен окончательно подтвердить гипотезу уже в ближайшее время.
В разрыве протопланетного диска звезды WISPIT 2 ученые разглядели зарождающуюся планету. Это уже второй гигант в этом формирующемся «семействе», что делает его крайне похожим на молодую Солнечную систему.
В разрыве протопланетного диска звезды WISPIT 2 ученые разглядели зарождающуюся планету. Это уже второй гигант в этом формирующемся «семействе», что делает его крайне похожим на молодую Солнечную систему.
Арахнологи описали новый вид пауков, который копирует облик мертвой особи, пораженной паразитическим грибом, чтобы хищники меньше обращали на него внимание. В природе такой гриб заражает хозяина и воздействует на его нервную систему, после чего заставляет подниматься на возвышенность, откуда легче распространять споры. Открытие расширит представления ученых о мимикрии у животных.
Ученые Центра исследований интеллекта и когнитивного благополучия НИУ ВШЭ провели первый систематический анализ научных работ, посвященных особенностям восприятия эмоций по движениям при аутизме. Анализ показал, что различия между аутичными и неаутичными людьми во многом зависят от того, как именно устроен эксперимент и какие задачи предлагаются участникам.
В парках некоторых стран все чаще можно заметить странную картину: синицы и воробьи вместо пуха и веточек приносят в клювах сигаретные окурки. Орнитологи из Польши решили выяснить, зачем птицы выстилают гнезда мусором, пропитанным никотином. Оказалось, пернатые нашли способ использовать вредную человеческую привычку для защиты своего потомства. Но, как это часто бывает в природе, у медали есть обратная сторона.
Марсоход «Персеверанс» обнаружил в камнях на кромке кратера Езеро спектральные признаки минерала корунда, из которого на Земле образуются рубины и сапфиры. Такие спектры на Красной планете зарегистрировали впервые. Теперь ученые пытаются понять, при каких процессах он мог там сформироваться, ведь условия на Марсе заметно отличаются от тех, в которых корунд обычно образуется на Земле.
За 10 лет лежания в почве сигаретные фильтры не растворились, а лишь замаскировались под грязь. Их пластиковые волокна распались на микрочастицы, намертво склеились с минералами и превратились во вторичный микропластик. Более того, на пятом году гниения мусор начал отравлять землю с новой силой.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно