1713612597
2024-04-20 05:30:00
- 未来のバッテリー? Metal-O₂ は生物の体からの酸素で自らを充電します
- これらのバッテリーは、高容量と低コストで際立っています。
- このバッテリーは、がん細胞を「飢えさせる」可能性があるため、がん治療にも潜在的な利点をもたらします。
埋め込み型デバイスは、患者の治療、診断、モニタリングに対する革新的なアプローチを約束する医学の新たな章を開きます。 これらのおかげで、医師は前例のない精度と最小限の侵襲で人体に介入することができ、より効果的で優しいケアへの道が開かれます。 バッテリーは長寿命と高エネルギー密度に優れる必要があり、これらのデバイスに電力を供給する鍵となります。 Li-I₂ や Ag-Zn などの従来の電池は長い間使用されてきましたが、その容量には限界があるため、埋め込み型デバイスの使いやすさが制限されます。 新たな希望は、体内に直接存在する酸素をエネルギー源として使用する、いわゆる金属O₂電池の形で提供されます。
自ら「給電」するバッテリー
画期的な金属 O₂ バッテリーは、ペースメーカーやインスリン ポンプを再充電する必要のない世界への扉を開きます。 周囲環境からの酸素をエネルギー源として利用するこの革新的な技術は、SF の夢となりつつあり、徐々に現実になりつつあります。 私たちの体には、バッテリーの燃料として使用できる生体分子がたくさんあります。 これには、酸素、ブドウ糖、酵素、さらには汗も含まれます。
金属 O2 電池の動作の基本原理は、カソードとアノードの間の化学反応にあります。 アノードには、人間の組織から放出されるグルコースや乳酸などの生体分子の酸化を触媒する酵素が含まれています。 この酸化反応中に電子が放出されます。 逆に、カソードは周囲環境からの酸素を還元して水を生成する働きをします。 この還元反応により、アノードで放出された電子が消費され、電流が発生します。 電解液も忘れてはいけません。 電解質は、アノードとカソードの間で荷電粒子を移動させるためのイオン媒体として機能します。 生体適合性ポリマーまたはゲルをベースとした電解質は通常、金属 O2 電池に使用されます。
これらのバッテリーは、埋め込み型デバイスで使用される従来のバッテリーよりも 5 ～ 10 倍大きい容量を提供し、性能が大幅に向上します。 さらに、金属 O₂ バッテリーに使用されている材料は人体と完全に適合するため、副作用のリスクが軽減され、使用の信頼性と安全性が向上します。 人体内では Na⁺ イオンの形で表されるナトリウムは重要な元素であり、その特性は充電式電池、特に Na-O₂ 電池のアノードの有望な材料として研究者によって研究されています。 これらは、高い理論的エネルギー密度、低コスト、および幅広い潜在的な用途を提供します。
Li-O₂ および Na-O₂ バッテリーの予測エネルギー密度は驚異的で、それぞれ 3458 および 1605 Wh/kg などの値に達し、現在のリチウムイオンバッテリーをはるかに超えています。 幸いなことに、生命に不可欠な酸素はすべての生体組織に存在しており、電池に継続的なエネルギー供給の大きな可能性をもたらします。 その設計では、体液からの活性成分がバッテリー内に侵入できるようにする必要があります。 もう 1 つの重要な考慮事項は、バッテリーのコンポーネントが体内で問題やアレルギー反応を引き起こさないことです。
生体に優しく、代謝変化がない
研究者らは酸素電池の生体適合性、特に炎症反応、代謝変化、電池周囲の組織再生の研究に焦点を当てた。 炎症は異物に対する体の自然な反応です。 埋め込み型デバイスの場合、組織の損傷やインプラントの拒絶反応を防ぐために、炎症を最小限に抑えることが重要です。 研究者らは、ラットの酸素電池周囲の炎症反応を調べたところ、炎症反応は穏やかで、他の生体材料に対する反応と同等であることが判明した。 これは、酸素電池が過剰な炎症反応を引き起こさず、安全で適合性のある技術であることを示唆しています。
さらに、科学者たちは、これらのバッテリーの存在下で起こる可能性のある代謝変化の研究に焦点を当てました。 酸素電池内で起こる化学反応は、周囲の組織の代謝に影響を与える可能性のある副産物を生成します。 研究者らは酸素電池周囲のラットの組織の代謝を分析したところ、大きな変化がないことが判明した。 これは、バッテリーの副産物が組織の代謝に悪影響を及ぼさず、したがって生体適合性があることを示唆しています。 バッテリーはナトリウムイオン、水酸化物イオン、および少量の過酸化水素のみを生成することがわかりました。 研究者らは、これらの物質はすべてラットの生体によって容易に代謝され、肝臓や腎臓に影響を与えないことを発見しました。 これは、これらの電池が埋め込み型デバイスやその他の生物医学用途に最適である可能性があることを示唆しています。
科学者チームは酸素電池に関する広範な研究を行おうとしています。 目標は、このテクノロジーと、がんを含むさまざまな病気の治療におけるその可能性をより深く理解することです。 酸素電池を使用すれば、腫瘍の成長に必要な酸素を遮断できるという理論があります。 これは、がんとの闘いにおける新たな治療戦略につながる可能性があります。 しかし、これらの有望な結果にもかかわらず、医療における酸素電池の実用化にはさらなる研究と臨床試験が必要です。
ジョセフ・ノバク
私はもともと科学技術に興味があり、イオン応用技術を研究する博士課程の学生です。 人間の創造性と能力のおかげで何が生み出されるのか、私はいつも驚かされます。 私は自由時間を山や都市で旅行して過ごすのが好きです。
#ペースメーカーの充電は終わり #革新的なバッテリーは継続的な動作を約束します #SMARTmania.cz
