Задача, которая сегодня стоит перед биохимиками, — имплантируемый биотопливный элемент для медицинского использования. Сейчас для питания вживленных устройств — кардиостимуляторов, микродозаторов, биосенсоров — используются разного рода батарейки, которые требуют периодической замены, а это пусть небольшое, но все-таки оперативное вмешательство. Появление источника питания, который черпает энергию непосредственно из человеческого организма, позволило бы избежать этих вмешательств.
В самом деле, глюкоза, которая входит в состав крови, служит естественным топливом для множества ферментов, а микроваттные биотопливные элементы вполне способны выработать достаточно энергии, чтобы обеспечить потребности вживленных устройств, тем более что многие из них работают в периодическом режиме — включаются по необходимости.
Для создания таких биотопливных элементов была принята следующая идеология. Они функционируют без применения медиаторов, а значит, и без ионселективной мембраны: медиаторы — вредные для организма вещества, в то же время уже хорошо известно, как обеспечить перенос заряда с субстрата на электрод без медиаторов. Они используют в качестве топлива глюкозу, универсальное биотопливо. Для иммобилизации фермента применяются наноматериалы различных типов — одно- и многостенные нанотрубки, графитовые волокна, наночастицы металлов, графеноподобные структуры и пр., чтобы конструировать электроды микроразмеров. Ферменты в анодном отделении — пирролохинолинхинон-зависимая (PQQ-зависимая) глюкозодегидрогеназа или целлобиозодегидрогеназа — с ними проще всего получить прямой (безмедиаторный) транспорт электронов, а фермент в катодном отделении — лакказа или билирубиноксдаза. Значительные успехи в создании таких биотопливных элементов показали две группы исследователей.
Схема: Александр Костенко
Схема: Александр Костенко
Одна, под руководством Даниэля Шерсона (Университет Кейс-Вестерн) работала с тараканами, другая — под руководством Евгения Каца (Университет Кларксона) — с улитками и омарами. У тех и у других беспозвоночных — открытая система кровообращения: роль крови у них играет гемолимфа, она не заключена в сосуды, а свободно течет по организму, снабжая его питательными веществами и кислородом. Открытое кровообращение позволяет сравнительно просто имплантировать компоненты биотопливной ячейки, не нанося серьезных повреждений животному. Группа Евгения Каца первой имплантировала безмембранные биотопливные ячейки из двух электродов (анодный катализатор — PQQ-зависимая глюкозодегидрогеназа и катодный катализатор — кислородвосстанавливающая лакказа ковалентно привязаны к углеродным нанотрубкам). И улитки (см. схему на стр. 12), и омары находились в состоянии свободно живущего организма; имплантированные топливные элементы проработали более двух недель без признаков видимой инактивации ферментов. Биотопливный элемент в омаре при напряжении 0,54 В развивал мощность 0,64 мВт / см2, внутреннее сопротивление было 500 Ом.
У тараканов, с которыми работала группа Даниэля Шерсона, основной сахар гемолимфы — трегалоза, дисахарид; сложность в том, что не существует фермента, окисляющего этот дисахарид. Чтобы биотопливный элемент заработал, исследователи использовали биферментный электрод, включающий трегалозу (гидролазу, расщепляющую трегалазу на две глюкозные молекулы) и глюкозооксидазу. Передача электрона с фермента на электрод происходила при участии медиатора, использующего иммобилизованный бипиридиновый осмиевый комплекс. В этом исследовании катод на основе билирубиноксидазы вообще не имплантировали в животное. Как сказано выше, PQQ-зависимые дегидрогеназы — это ферменты, для которых проще всего осуществляется прямой, безмедиаторный перенос электронов. В мире спектр предлагаемых к продаже PQQ-зависимых дегидрогеназ совсем невелик, а стоимость, напротив, высока. Авторам этого материала пришли в голову две идеи. Первая. Выполнить тестовые эксперименты и оценить рабочие параметры следующей комбинации: PQQ-зависимая дегидрогеназа, иммобилизованная на электроде из наноматериала (терморасширенный графит) в качестве анода. Достижение состояло в том, что авторы научились получать интегральные комплексы PQQ-зависимых дегидрогеназ из бактериальных клеток, а затем нашли способ иммобилизации ферментного препарата. Исследование показало, что в данной композиции наблюдается безмедиаторный, прямой перенос электрона при окислении этилового спирта. Авторы не нашли описаний таких исследований, проводимых ранее в мире. Вторая идея. Известно, что биотопливные элементы развивают мощность в единицы микроватт с квадратного сантиметра электрода. Те способы, которые использовала группа Евгения Каца, — частный случай накопления энергии при подключении конденсатора высокой емкости к батарее биотопливных элементов. Авторам этот способ не показался элегантным, и был найден иной путь: к биотопливным элементам подключается электронная схема — конвертер, производящий трансформацию постоянного тока. Такая же электронная схема эффективно использовалась при обработке выходного напряжения от фотоэлемента, солнечной батареи и т. д. — но с микроваттными источниками энергии прежде ее никто в мире не комбинировал. Авторы показали, что напряжение биотопливного элемента, равное 0,4 - 0,5 В, комбинированная система поднимает за нескольких минут до 3,1 В и сохраняет на сберегающем конденсаторе. Это, по мнению авторов, реальный шаг к практическому применению биотопливного элемента в качестве имплантированного источника питания.
Родом из Италии
Возникновение электрического тока при контакте разных металлов и электролита было открыто итальянским физиологом из Болоньи Луиджи Гальвани в 1786 году. В честь Гальвани химический источник электрического тока называется гальваническим элементом. Топливный элемент — разновидность гальванического, с той только разницей, что вещества для электрохимической реакции не содержатся в самом элементе, а приходят извне — следовательно, работает такой элемент неопределенно долго, покуда в него поступают реагенты.
Хронология
1990-е
Производство простейших биотопливных элементов размером в единицы и даже десятки кубических сантиметров. В Великобритании их даже покупали школы для лабораторных занятий
1999
Отец биосенсорики Исао Карубе предложил новую концепцию биотопливных элементов. Разработанная им микросхема размером ~ 50 х 50 мм2 содержит 25 одиночных биотопливных элементов, включенных последовательно. Их работа основана на ферменте глюкозооксидазе, то есть они сжигают глюкозу; планировалось, что суммарно развиваемая мощность будет составлять единицы ватт.
2000
Гастроробот (по имени Ням-Ням) Стюарта Уилкинсона. Объедки с человеческого стола поступают в реактор, работающий как биотопливный элемент на микробных клетках. Таким машинам предполагалось придать значительную самостоятельность, они должны были работать по принципу "запустил и забыл".
2011
Гасфил Джастин с коллегами по Питтсбургскому университету выполнил разработку биотопливного элемента на лейкоцитах крови — они были иммобилизованы на графитовых нитях. Биотопливный элемент осуществлял конверсию метаболической активности лейкоцитов человека в электрический ток при окислении препарата игепала. Это стартовый эксперимент, еще не подразумевавший имплантации.
2012
Магнус Фальк из Университета Мальме представил биотопливный элемент, встроенный в контактную линзу. Элемент не содержал разделительной мембраны и работал на глюкозе из слезы. В электродах использовались наночастицы золота, биомодифицированные целлобиозодегидрогеназой (анод) и билирубиноксидазой (катод). Напряжение холостого хода составляло 0,57 В, удельная мощность — 1мкВт / см2, время полужизни — 20 час. Мощности этого биотопливного элемента должно было хватить на питание встроенного устройства, например глюкозного биосенсора.
2013
Виктор Андоралов из Института физической химии и электрохимии в том же Университете Мальме имплантировал микросхему, которая запитывалась от входящего в ее состав биотопливного элемента, в мозг крысы — микросхема исследовала функции мозга. Анод — на основе целлобиозодегидрогеназы, катод — на основе билирубиноксидазы, удельная мощность — 1 мкВт / см2 при напряжении 0,4 В.
2013
Джо Ванг из Калифорнийского университета создал биотопливный элемент, который наносится на кожу человека как временная татуировка и работает на лактате, содержащемся в поте. Электроды изготовлены по новой схеме: анод содержит лактатоксидазу, закрепленную в сложной композиции на графитовом электроде.