Od węgorza do zasilania implantów
Badacze z Yale University i National Institute of Standards and Technology (NIST) ulepszyli działanie elektocytów węgorza elektrycznego (Electrophorus electricus). Dzięki temu uzyskują wyższe napięcie, które mają nadzieję wykorzystać do zasilania implantów i innych aparatów medycznych.
Elektrocyty tworzą szeregi, zlokalizowane po bokach wzdłuż płetwy odbytowej. Są połączone na zasadzie baterii ogniw galwanicznych, oddziela je galaretowata tkanka. Jedna komórka nie jest w stanie wytworzyć wysokiego napięcia (generuje dziesiąte części wolta), ale cały szereg jak najbardziej tak (600 woltów).
Gdy zadziała bodziec chemiczny, otwierają się kanały jonowe. Kationy sodu napływają do wnętrza, a kationy potasu przemieszczają się na zewnętrzną stronę błony komórkowej. Przemieszczanie się jonów zwiększa napięcie, przez co otwiera się coraz więcej kanałów, a po przekroczeniu pewnego punktu proces zaczyna się samonapędzać. Na końcu kanały się zamykają, a aktywny transport jonów przywraca stan wyjściowy.
David LaVan, inżynier z NIST, uważa, że w grę wchodzi co najmniej 7 typów kanałów, na które można wpłynąć, manipulując różnymi zmiennymi, np. gęstością rozmieszczenia w błonie. Elektrocyty działają w inny sposób niż neurony. Komórki nerwowe przewodzą, wg Amerykanów, raczej informację, a nie energię. Szybko się wyładowują, nie osiągając przy tym dużej mocy. Elektrocyty reagują wolniej, ale generują wyższe napięcie, które dłużej się utrzymuje.
LaVan i Jian Xu opracowali model konwersji stężenia jonów na impulsy elektryczne. Przetestowali go i na podstawie wyników sprecyzowali, jak zmaksymalizować napięcie, zmieniając proporcje i ułożenie różnych typów kanałów. Udało im się uzyskać sztuczną komórkę, która w jednym pulsie generuje o 40% silniejszy sygnał. Druga wersja też działa lepiej od oryginału, szczytowe napięcie jest bowiem wyższe o 28%. Gdy sztuczne elektrocyty ułoży się warstwami w sześcian o boku nieco powyżej 4 mm, można uzyskać stałą moc (300 mikrowatów) do zasilania niewielkich urządzeń medycznych.
Komentarze (9)
thibris, 7 października 2008, 13:51
Czym takie elektrocyty będą musiały być zasilane/karmione ? Ciekawią mnie dwie kwestie:
- czy taka "bateria" będzie mogła być wszczepiana wewnątrz ciała pacjenta ?
- jak wygląda stosunek wielkościowy i jakościowy nowej teoretycznej baterii do obecnie stosowanych, które zasilają pracę rozruszników serca i tym podobnych urządzeń ?
mikroos, 7 października 2008, 15:53
Ciekawy pomysł. Nietrudno sobie wyobrazić "woreczek" wypełniony elektrocytami przepuszczający glukozę i inne składniki odżywcze, które zasilałyby te komórki, ale uniemożliwiały np. docieranie przeciwciał. W ten sposób "bateria" byłaby cały czas zasilana przez organizm i dzięki temu praktycznie bezobsługowa.
Osobiście uważam, że stosunek objętości do mocy prądu w niektórych sytuacjach będzie sprawą drugorzędną (np. wtedy, gdy dostęp do implantu jest utrudniony i wymiana baterii byłaby skomplikowana). Jest to tym bardziej istotne, że elektrocyty umożliwiałyby doładowywanie go na bieżąco (o ile w ogóle byłoby to potrzebne), więc sam akumulator mógłby mieć pojemność pozwalającą zaledwie na wysłanie np. pięciu impulsów. Z tego, co czytam ( http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=1502062 ), jednorazowe impulsy są liczone w mikrodżulach (ok 25 uJ), więc nawet taki mały sześcianik powinien dać radę.
thibris, 7 października 2008, 16:14
Jeśli udałoby się wytworzyć materiał (sześcian elektrocytów), który by był stabilnym źródłem nieprzerwanej energii dla takiego rozrusznika to byłby to mały przełom w tej dziedzinie(?) kardiochirurgii. Z tego co zrozumiałem to dzisiejsze akumulatorki Li-Io używane w rozrusznikach zajmują połowę miejsca w całym rozruszniku i mają wymiary półkola o promieniu 3cm i głębokości od 6 do 8 mm. Ten sześcian miałby ponad 4mm, bo trzeba by doliczyć jakąś dla niego obudowę - ale i tak mniej niż taka bateria. Poza tym gdyby miał działać tyle samo co średnia wieku pacjenta, to nie trzeba by było wymieniać rozrusznika co około 10 lat.
mikroos, 7 października 2008, 17:17
Poruszyłeś kolejną ważną kwestię, czyli żywotność tych komórek. Warto by było się tym zainteresować. Być może konieczne byłoby stworzenie zapasu komórek albo opracowania jakiegoś innego rozwiązania. Mimo wszystko wydaje mi się, że rozwiązanie jest całkiem interesujące. Problem jest jedynie w tym, że obecnie urzędnicy często mają opory nawet przed podawaniem przeciwciał pochodzących od myszy, a co tu mówić o żywych komórkach od ryby!
Jarek Duda, 8 października 2008, 23:21
Energię pobierały by pewnie z glukozy transportowanej z krwią.
Swoją drogą może to być też sposób właśnie na zwiększenie zapotrzebowania energetycznego: dla odchudzających się, trenujących kondycję...
Tylko rzeczywiście problem z układem immunologicznym...
mikroos, 8 października 2008, 23:34
Tylko pomyśl: jesz ile chcesz i nie tyjesz, a do tego jeszcze zasilasz laptopa ;D
waldi888231200, 8 października 2008, 23:40
;D ;D dynamo w rowerze ma 3W .. jak ktoś z nim jeździł to wie ile energi to kosztuje. 8)
thibris, 10 października 2008, 09:45
Podejrzewam, że zabrnęliśmy za daleko. Przecież ludzie zaczęliby to wykorzystywać do odchudzania się zamiast jakiejkolwiek dawki ruchu. Już teraz wszelkie abgymnic`y czy jakieś zasilane prądem spalacze tłuszczu są koszmarem.
mikroos, 10 października 2008, 10:43
Dokładnie. Wielu ludzi zapomina, że w aktywności fizycznej spalanie tłuszczu jest tylko mały wycinkiem całości. Powstawaniu tłuszczu mozna zresztą łatwo zapobiec poprzez kontrolowanie własnej diety. Za to przy jakiejkolwiek aktywności najistotniejsze jest ogólne pobudzenie organizmu, szczególnie układu oddechowego i sercowo-naczyniowego. Elektryczne komórki na pewno tego nie zastąpią.