Wie in „Mission: Impossible“: Selbstzerstörende Bakterienbatterie
Forscher entwickeln auflösbare Biobatterie mit Probiotika für bioresorbierbare Elektronik, die spurlos im Körper verschwindet
In den Mission: Impossible-Filmen erhält der Superspion Ethan Hunt - gespielt von Tom Cruise - von seinen Vorgesetzten Anweisungen auf verschiedenen Geräten, die sich in fünf Sekunden selbst zerstören.
Könnte sich Elektronik auch im wirklichen Leben in Nichts auflösen? Professor Seokheun "Sean" Choi von der Binghamton University Choi hat in den letzten 20 Jahren an Einweg-"Papertronics" geforscht, aber der schwierigste Teil bei der Herstellung von so genannter transienter Elektronik ist die Batterie.
"Transiente Elektronik kann für biomedizinische und umwelttechnische Anwendungen eingesetzt werden, aber sie muss sich auf biosichere Weise auflösen", so Choi, der am Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science in der Abteilung für Elektro- und Computertechnik lehrt.
"Man will keine giftigen Rückstände im Körper haben. Diese Art von Geräten wird als bioresorbierbare Elektronik bezeichnet. Bei transienter oder bioresorbierbarer Elektronik besteht die größte Herausforderung in der Energiequelle - aber die meisten Energiequellen, wie Lithium-Ionen-Batterien, enthalten giftiges Material.
Choi und sein studentisches Forschungsteam zogen Lehren aus ihren früheren Forschungen zu Biobatterien und wandten dieses Wissen auf eine neue Idee an: In einer kürzlich in der Zeitschrift Small veröffentlichten Arbeit zeigen sie das Potenzial der Verwendung von Probiotika auf - lebende Mikroorganismen, die bei Einnahme gesundheitliche Vorteile bieten, ansonsten aber für die Umwelt oder den Menschen unschädlich sind.
Maedeh Mohammadifar, PhD '20, Absolventin von Chois Labor für Bioelektronik und Mikrosysteme, entwickelte die ursprüngliche auflösbare mikrobielle Brennstoffzelle während ihrer Zeit als Studentin in Binghamton.
"Wir haben bekannte stromproduzierende Bakterien verwendet, die unter die Biosicherheitsstufe 1 fallen, also sicher sind - aber wir waren nicht sicher, was passieren würde, wenn diese Bakterien in die Natur entlassen würden", sagte Choi. "Aber immer, wenn ich auf Konferenzen Vorträge hielt, fragten die Leute: 'Sie verwenden also Bakterien? Können wir das sicher verwenden?'"
Die derzeitige Doktorandin Maryam Rezaie leitete die jüngste Forschungsarbeit mit einer vorgefertigten Mischung aus 15 Probiotika.
"Es ist gut dokumentiert, dass Probiotika sicher und biokompatibel sind, aber wir waren uns nicht sicher, ob diese Probiotika die Fähigkeit haben, Strom zu erzeugen", sagte Choi. "Das war eine Frage, also hat sie eine Menge Experimente dazu durchgeführt."
Die ersten Ergebnisse seien nicht sehr vielversprechend gewesen, aber "wir haben nicht aufgegeben. Wir haben eine Elektrodenoberfläche entwickelt, die für die Bakterien vorteilhaft sein könnte, indem wir ein Polymer und einige Nanopartikel verwendeten, um hypothetisch das elektrokatalytische Verhalten der Probiotika zu verbessern und ihnen einen Schub zu geben."
Die modifizierte Elektrode war porös und rau, was den Bakterien hervorragende Bedingungen zum Anhaften und Wachsen bot und die elektrogene Fähigkeit der Mikroorganismen verbesserte. Die Beschichtung des auflösbaren Papiers mit einem wenig pH-empfindlichen Polymer - was bedeutet, dass es nur in einer sauren Umgebung wie einem verschmutzten Gebiet oder dem menschlichen Verdauungssystem funktioniert - erhöhte die Ausgangsspannung und die Betriebsdauer der Batterie.
Obwohl sie nur eine geringe Strommenge erzeugten, betrachtet Choi die Experimente als einen Konzeptnachweis, auf dem er und künftige Studenten aufbauen können.
"Es müssen weitere Forschungen durchgeführt werden", sagte er. "Wir haben probiotische Mischungen verwendet, aber ich möchte im Einzelnen untersuchen, welche die zusätzlichen elektrischen Gene haben und wie synergetische Interaktionen die Stromerzeugung verbessern können. Außerdem haben wir in dieser Forschung eine einzelne Einheit einer Biobatterie entwickelt. Ich möchte sie in Reihe oder parallel schalten, um die Leistung zu verbessern.
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