據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道， 日前，科學(xué)家在最新實(shí)驗(yàn)研究中將微型電池植入老鼠體內(nèi)，通過(guò)老鼠自身體內(nèi)的糖物質(zhì)可產(chǎn)生電流，使微型電池持續(xù)供電數(shù)個(gè)月。
“葡萄糖生物燃料電池”依賴(lài)于人體酶進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，可持續(xù)向人造器官供電
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。科學(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(lái)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。科學(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(dòng)力燃料電池叫做“葡萄糖生物燃料電池”，它依賴(lài)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(chēng)為“氧化還原調(diào)解劑”的混合物質(zhì)就像是電線(xiàn)，持續(xù)向人造器官供電。科學(xué)家們正在研制類(lèi)似的多樣化裝置以環(huán)保方式產(chǎn)生電流。
但在過(guò)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(guó)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(shuō)：“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(guò)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(duì)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(huì)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(duì)此疏忽。
這種植入電池供電方式依賴(lài)于裝載葡萄糖氧化酶和多酚氧化酶的混合石墨盤(pán)，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(shū)館·綜合》期刊上。
研究人員強(qiáng)調(diào)稱(chēng)，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(shì)，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(cè)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(chēng)，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(lái)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(wàn)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(lái)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(shuō)：“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(jí)。”但他同時(shí)強(qiáng)調(diào)，目前所存在的問(wèn)題是是否該裝置能夠帶來(lái)最強(qiáng)大的有效性，我認(rèn)為它在使用過(guò)程中仍有局限性。問(wèn)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(jí)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(guò)修補(bǔ)酶和氧化還原調(diào)解劑，桑剛對(duì)于這一裝置表現(xiàn)得非常自信，在一項(xiàng)未公開(kāi)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(lái)長(zhǎng)期的研究目標(biāo)。
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