科學(xué)家發(fā)明新型燃料電池 可為人造器官供電

人造心臟的出現(xiàn)將很大程度地刺激科學(xué)家研制人造腎和胰腺，然而一項(xiàng)關(guān)鍵性的技術(shù)障礙是如何為人造器官植入體內(nèi)之后持續(xù)供電?？茖W(xué)家并不是采用將人造器官與外部系統(tǒng)相連接進(jìn)行持續(xù)性供電，或者將它們從人體內(nèi)移除進(jìn)行電池更換，他們計(jì)劃利用人體自身組織為人造器官提供持續(xù)電流。

目前，科學(xué)家希望未來植入人體的人造器官不采用電池，而是利用人體自身作為燃料源產(chǎn)生能量?？茖W(xué)家展示植入老鼠體內(nèi)的燃料電池能夠利用老鼠體內(nèi)的糖物質(zhì)成功地產(chǎn)生電流，這些電流可使電池持續(xù)使用數(shù)個(gè)月。

迄今功能最強(qiáng)大的糖動力燃料電池叫做“葡萄糖生物燃料電池”，它依賴于人體酶進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，例如：葡萄糖和氧氣結(jié)合在一起(這兩種物質(zhì)都存在于實(shí)驗(yàn)老鼠體內(nèi))，這種被稱為“氧化還原調(diào)解劑”的混合物質(zhì)就像是電線，持續(xù)向人造器官供電。科學(xué)家們正在研制類似的多樣化裝置以環(huán)保方式產(chǎn)生電流。

但在過去這種葡萄糖燃料電池并不適合于人體移植，這是由于該電池不是要求較高的酸性狀態(tài)工作，就是被體內(nèi)多種離子所抑制。最新研制的電池系統(tǒng)不受以上條件的限制，成為首個(gè)有效植入性葡萄糖生物電池，其設(shè)計(jì)原型在實(shí)驗(yàn)老鼠體內(nèi)可持續(xù)供電至少3個(gè)月之久。

法國格勒諾布爾市約瑟夫-傅立葉大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師菲利普-桑剛(Philippe Cinquin)說：“從某些方面我們可以將人造器官想像成為可植入機(jī)器人，它能夠補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)一些人體功能。”

之前葡萄糖生物燃料電池通過化學(xué)鍵接結(jié)合將葡萄糖和氧化還原調(diào)解劑組合在一起靠近電極區(qū)域，但是并不是所有的酶和氧化還原調(diào)解劑能夠結(jié)合在一起。對此，桑剛和電子化學(xué)家色姬-絲尼亞(Serge Cosnier)在這兩種物質(zhì)結(jié)合之前，先將它們物理裝配在電極區(qū)域，然后用滲析袋的薄膜進(jìn)行包裹。這種半透膜能夠使產(chǎn)生電流的同時(shí)保持酶和氧化還原調(diào)解劑避免滲漏。這種解決方法使科學(xué)家有機(jī)會調(diào)查分析人體內(nèi)最具適應(yīng)能力的酶物質(zhì)，在此之前研究人員往往對此疏忽。

這種植入電池供電方式依賴于裝載葡萄糖氧化酶和多酚氧化酶的混合石墨盤，它的兩極總共占據(jù)5毫升燃料電池中的0.266毫升，最高可產(chǎn)生6.5微瓦電流。關(guān)于該燃料電池的具體實(shí)現(xiàn)方法發(fā)表在《公共科學(xué)圖書館·綜合》期刊上。

研究人員強(qiáng)調(diào)稱，1毫升體積的該電極相當(dāng)于可產(chǎn)生24.4微瓦電流，這比10微瓦起膊器電流高出許多。同時(shí)，新型電池系統(tǒng)在體積上更具優(yōu)勢，起搏器體積通常為10-25毫升。

基于在老鼠實(shí)驗(yàn)體的成功測試，目前外科手術(shù)中已采用了這種設(shè)計(jì)原型進(jìn)行人體植入手術(shù)，桑剛稱，至今尚未發(fā)現(xiàn)這種電池不適合應(yīng)用于人體的任何原因。他希望未來5-10年能夠推廣使用。

桑剛指出，第一個(gè)將燃料電池植入人體可適用于人造泌尿括約肌，該人造器官要求200微瓦電流。當(dāng)前每年大約有10000萬尿失禁患者飽嘗前列腺移除后的痛苦，他們惟一的解決方法就是將一個(gè)沉重的泵植入患者陰囊，使患者小便時(shí)產(chǎn)生壓力作用。未來更深入的研究目標(biāo)可將燃料電池應(yīng)用于人造腎，該人造器官需要20微瓦電流，人造心臟也是研究目標(biāo)之一，但該器官需要至少幾瓦電流。

未參與這項(xiàng)研究的新墨西哥州大學(xué)化學(xué)物理學(xué)家和化學(xué)工程師普拉曼-阿塔那索維(Plamen Atanassov)說：“這種人體植入裝置使植入式生物燃料電池表現(xiàn)出更高的等級?！钡瑫r(shí)強(qiáng)調(diào)，目前所存在的問題是是否該裝置能夠帶來最強(qiáng)大的有效性，我認(rèn)為它在使用過程中仍有局限性。問題在于該裝置產(chǎn)生的細(xì)胞外液體所產(chǎn)生的氧氣等級比正常葡萄糖低1000倍，我并不認(rèn)為它能夠完全供給氧氣。

通過修補(bǔ)酶和氧化還原調(diào)解劑，桑剛對于這一裝置表現(xiàn)得非常自信，在一項(xiàng)未公開的研究實(shí)驗(yàn)中，桑剛和研究同事有效地提高酶和氧化還原調(diào)解劑性能50%，同時(shí)他們強(qiáng)調(diào)指出，由葡萄糖生物燃料電池充電的人造心臟仍是未來長期的研究目標(biāo)。