Implantierbare Fuel Cell erbaute Am MIT Könnte Stromneuroprothetik, die helfen Patienten, die Kontrolle über Gliedmaßen
MIT -Ingenieure haben eine Brennstoffzelle , die auf demselben Zucker , dass die Befugnisse menschlichen Zellen läuft entwickelt : Glukose. Diese Glukose -Brennstoffzelle verwendet werden, um hocheffiziente Gehirnimplantaten der Zukunft, die dazu beitragen könnten gelähmte Patienten bewegen ihre Arme und Beine wieder zu fahren.
Die Brennstoffzelle , in der Zeitschrift PLoS ONE, Streifen Elektronen aus Glucosemolekülen einen kleinen elektrischen Strom erzeugen . Die Forscher , von Rahul Sarpeshkar , Associate Professor für Elektrotechnik und Informatik am MIT , führte hergestellt die Brennstoffzelle auf einem Siliziumchip , so dass sie mit anderen Schaltungen , die für ein Gehirnimplantat benötigt würde integrieren.
Die Idee, eine Glukose -Brennstoffzelle ist nicht neu : In den 1970er Jahren zeigten die Wissenschaftler sie einen Herzschrittmacher mit einem Glukose -Brennstoffzelle Strom zu versorgen konnte , aber die Idee wurde zu Gunsten von Lithium-Ionen Batterien aufgegeben , die deutlich mehr Leistung pro Flächeneinheit bieten könnte als Glukose -Brennstoffzellen. Diese Glucose Brennstoffzellen ebenfalls verwendet Enzyme, die unpraktisch für Langzeitimplantation im Körper zu sein, da sie schließlich nicht mehr effizient , erwiesen .
Die neue Variante der MIT -Brennstoffzelle beschrieben in PLoS ONEist, dass es aus Silizium hergestellt ist, mit der gleichen Technologie verwendet werden, um elektronische Halbleiterchips verwendet . Die Brennstoffzelle hat keine biologischen Komponenten : Es besteht aus einem Platin-Katalysator , die Elektronen von der Glucose -Streifen , imitiert die Aktivität der zellulären Enzyme, die Glukose zu brechen, um ATP , der Energiewährungder Zelle zu erzeugen. ( Platinum verfügt über nachweisliche Erfahrungen in der Langzeit- Biokompatibilität im Körper. ) Bisher kann die Brennstoffzelle bis zu Hunderten von Mikrowatt erzeugen - genug, um eine Ultra-Low- Power und klinisch nützlich Nervenimplantats zu versorgen.
"Es wird noch ein paar Jahre in die Zukunft , bevor Sie sehen, wie Menschen mit Rückenmarksverletzungen , wie implantierbare Systeme erhalten im Rahmen der Standard- medizinische Versorgung , aber das sind die Arten von Geräten, die Sie könnte sich vorstellen, die Stromversorgung aus einer Glucose -basierte Brennstoffzelle ", sagt Benjamin Rapoport , ein ehemaliger Doktorand in der Sarpeshkar Labor und der erste Autor auf dem neuen mIT-Studie .
Rapoport berechnet, dass in der Theorie könnte die Glucose Brennstoffzellen gesamten Zucker er benötigt, von der Zerebrospinalflüssigkeit ( CSF) , die das Gehirn badet und schützt sie vor dem Schlagen in den Schädel zu erhalten. Es gibt sehr wenige Zellen im Liquor , so ist es höchst unwahrscheinlich, dass ein Implantat dort angesiedelt wäre , eine Immunantwort hervorzurufen. Es ist auch bezeichnend, Glukose im CSF , das in der Regel nicht durch den Körper zu gewöhnen. Da nur ein kleiner Bruchteil der verfügbaren Energie durch die Glucose -Brennstoffzelle verwendet wird, würde die Wirkung auf die Funktion des Gehirns wahrscheinlich gering sein.
Karim Oweiss , Associate Professor für Elektrotechnik , Informatik und Neurowissenschaften an der Michigan State University, sagt der Arbeit ist ein guter Schritt in Richtung der Entwicklung implantierbarer medizinischer Geräte , die keine externe Stromquelle erforderlich ist.
"Es ist eine Machbarkeitsstudie , die sie genug Leistung, um den Anforderungen gerecht zu generieren ", sagt Oweiss und fügte hinzu, dass der nächste Schritt wird sein , um zu zeigen , dass sie in einem lebenden Tier zu arbeiten.
Ein Team von Forschern an der Brown University , Massachusetts General Hospital und anderen Institutionen vor kurzem gezeigt, dass gelähmte Patienten könnte ein Gehirn -Maschine-Schnittstelle verwenden, um einen Roboterarm zu bewegen; diese Implantate müssen in eine Netzsteckdose angeschlossen werden.
Imitieren von Biologie mit der Mikroelektronik
Sarpeshkar Gruppe ist ein führendes Unternehmen im Bereich der Ultra-Low- Leistungselektronik, die eine solche Designs Pionierarbeit für Cochlea-Implantate und Gehirnimplantaten . " Die Glukose -Brennstoffzelle, wenn sie mit solchen Ultra-Low- Leistungselektronik kombiniert werden, können Gehirnimplantaten oder anderen Implantaten ermöglichen, komplett mit eigener Stromversorgung ", sagt Sarpeshkar , Autor des Buches " Ultra Low Power Bioelektronik . " Dieses Buch beschreibt, wie die Kombination von Ultra-Low- Power und Energy-Harvesting- Design kann selbstbetriebenen Geräten für medizinische, bio- inspirierte und portable Anwendungen.
Sarpeshkar Gruppe hat über alle Aspekte der implantierbaren Gehirn -Maschine-Schnittstellen und neuronale Prothesen , einschließlich der Aufnahme von Nerven Stimulation von Nerven , Nervensignale dekodieren und kommunizieren drahtlos mit Implantaten gearbeitet . Eine solche neuronalen Prothese ist für die elektrische Aktivität von Hunderten von Neuronen im Gehirn der motorischen Kortex , die zur Steuerung der Bewegung zuständig ist aufzuzeichnen. Diese Daten werden verstärkt und in ein digitales Signal , damit die Computer - oder in der Arbeit des Sarpeshkar Teams , Gehirn implantierten Mikrochips - kann es zu analysieren und festzustellen, welche Muster der Hirnaktivität produzieren Bewegung .
Die Herstellung der Glucose -Brennstoffzelle wurde in Zusammenarbeit mit Jakub Kedzierski am MIT Lincoln Laboratory durchgeführt . "Diese Zusammenarbeit mit Lincoln Lab dazu beigetragen, dass eine langfristige Ziel von mir - , Glukose betriebene Bioelektronik zu erstellen - eine Realität ", sagt Sarpeshkar . Obwohl er hat gerade erst begonnen Arbeiten an bringt ultra- low-power und Medizintechnik auf den Markt, warnt er , dass Glukose betriebene implantierbare medizinische Geräte gibt noch viele Jahre entfernt.