O cerneală enzimatică pe bază de apă le-a permis inginerilor să imprime prin serigrafie celule bio-combustibile complete, alimentate de transpirație, într-o singură etapă de fabricație, scrie publicația Earth.
Prin simplificarea unui proces fragil, care până acum necesita mai multe etape, într-un singur strat imprimabil, această inovație aduce plasturii medicali fără baterie mai aproape de producția de masă.
Imprimare într-o singură etapă
Pe un substrat subțire de hârtie, straturile imprimate formează electrozi pereche care generează electricitate direct din substanțele chimice din transpirație.
Lucrând în cadrul acestui sistem bazat pe hârtie, profesorul asociat Isao Shitanda de la Universitatea de Știință din Tokyo (Tokyo University of Science – TUS) a demonstrat că o singură cerneală care conține enzime poate crea simultan ambele părți ale celulei energetice.
În loc ca enzimele să fie aplicate în etape separate de uscare, noua formulă le fixează în structura imprimată, păstrând activitatea enzimelor și menținând performanța electrică.
Această consolidare reduce variațiile dintre dispozitive și pregătește următoarea provocare: transformarea prototipurilor de laborator în senzori purtabili durabili.
Problema volumului
Senzorii minusculi pentru transpirație pot fi deja aplicați pe piele, dar bateria tip monedă domină în continuare grosimea și volumul dispozitivului.
Fiecare baterie trebuie să stocheze energie, să rămână etanșă la umiditate și să reziste la îndoire, ceea ce îi obligă pe proiectanți să folosească carcase mai rigide.
Pentru plasturii medicali de unică folosință, bateriile cresc costurile și creează probleme de eliminare, chiar dacă senzorul în sine este extrem de subțire.
Eliminarea bateriei obligă dispozitivul să producă energie direct la fața locului, ceea ce înseamnă că sursa de energie trebuie să fie ușor de imprimat.
Energie din chimia corpului
În loc să stocheze energie, aceste celule imprimate o extrag din substanțele chimice eliminate prin transpirație.
Cercetătorii le numesc celule bio-combustibile enzimatice, dispozitive mici care transformă substanțele chimice din corp în electricitate, folosind enzime drept catalizatori.
În interiorul unei celule, o enzimă extrage electroni din lactat, iar circuitul îi transportă către oxigen pe cealaltă parte.
Nivelul combustibilului și fluxul de transpirație pot crește și scădea rapid, astfel că și puterea generată se schimbă în timpul activității.
Dificultăți de scalare
Fabricile întâmpină dificultăți deoarece producția tradițională a celulelor bio-combustibile necesită mai multe etape complexe realizate manual.
După imprimarea stratului de carbon, lucrătorii aplică picături de soluții enzimatice, apoi așteaptă uscarea unor straturi care nu sunt întotdeauna uniforme.
Diferențele mici în cantitatea de lichid aplicată sau în timpul de uscare pot schimba performanța de la un plasture la altul.
„Trebuie să aducem pe piață o cerneală enzimatică care poate fi imprimată uniform și este potrivită pentru producția de masă”, spune dr. Shitanda.
Proiectarea cernelurilor bio-imprimabile
Pentru a permite imprimarea într-o singură etapă, cercetătorii au trebuit să transforme enzimele delicate într-o cerneală care se răspândește uniform și aderă acolo unde este aplicată.
La TUS, echipa a ajustat compoziția pentru serigrafie, un proces în care cerneala este împinsă printr-o plasă fină pe suprafața materialului.
Pulberea de carbon poros reține enzimele, iar un liant pe bază de apă și un agent de îngroșare mențin pasta stabilă în timpul procesului de imprimare.
Pentru că cerneala nu conține solvenți agresivi, enzimele își păstrează o activitate mai mare după imprimare, ceea ce este esențial pentru o celulă energetică purtabilă.
Imprimarea părții care folosește oxigenul
Finalizarea circuitului necesită un electrod care consumă oxigenul, iar această parte a fost mult timp dificil de imprimat în mod repetabil și curat.
Inginerii numesc acest electrod catodul – partea care utilizează oxigenul, unde ajung electronii – iar enzimele implicate sunt deosebit de sensibile și greu de stabilizat.
Prin integrarea enzimei care gestionează reacția cu oxigenul în aceeași cerneală imprimabilă, noua metodă a reușit să formeze acest catod într-o singură etapă.
Imprimarea ambilor electrozi sub formă de cerneală elimină un blocaj major în producție, dar materialul pe bază de hârtie trebuie să reziste la transpirație, mișcare și uzură.
Măsurarea energiei produse
Testele de laborator au arătat că electrozii imprimați produc curenți mai puternici și rămân activi mai mult timp decât versiunile anterioare realizate prin aplicarea de picături.
Atunci când o celulă alimentată cu lactat a funcționat, aceasta a atins aproximativ 1.065 microwați pe inch pătrat (aproximativ 165 microwați pe centimetru pătrat) la puterea maximă și 0,63 volți fără sarcină.
Depozitarea la temperatură scăzută, la 5°C și în vid, a păstrat cel mai bine activitatea enzimelor, sugerând o posibilă soluție pentru transport și durata de depozitare.
Chiar și cu performanțe mai bune, energia generată rămâne mică, astfel că fiecare componentă a plasturelui trebuie să consume energie cu mare eficiență.
Corelarea cu chimia transpirației
Exercițiile fizice pot crește nivelul de lactat din transpirație, iar această schimbare oferă un indicator direct al intensității efortului muscular.
Un studiu publicat arată că nivelurile obișnuite de lactat din transpirație în timpul activităților sportive sunt între unu și 25 de milimoli pe litru.
Noua celulă imprimată este proiectată să funcționeze în acest interval, transformând cantități mai mari de lactat în mai mulți electroni pe măsură ce transpirația furnizează combustibil.
Legătura dintre lactatul din transpirație și cel din sânge rămâne însă complexă, iar orice afirmație medicală va necesita validări riguroase în condiții reale.
Utilizări în viața de zi cu zi
Antrenorii și sportivii doresc feedback fără testele cu înțepături în deget, iar lactatul din transpirație oferă o măsură rapidă a efortului în creștere.
Un plasture autoalimentat poate transforma această chimie în electricitate și într-un semnal al senzorului, permițând transmiterea datelor în timp real.
În îngrijirea medicală și a persoanelor vârstnice, monitorizarea continuă ar putea semnala mai devreme deshidratarea, infecțiile sau stresul termic decât verificările ocazionale.
Valoarea reală va depinde de plasturi confortabili, de stabilitatea măsurătorilor și de capacitatea de a oferi semnale clare pentru medici și utilizatori.
Următorii pași pentru dispozitivele purtabile
Prin transformarea unei rețete fragile de laborator într-o cerneală imprimabilă, echipa de la Universitatea de Știință din Tokyo arată că senzorii alimentați de transpirație ar putea fi produși la scară industrială.
Produsele reale vor necesita însă teste de durată, conexiuni wireless fiabile și demonstrarea faptului că măsurătorile rămân relevante pentru persoane diferite și în condiții variate.
Ştiri video recomandate
