As células de combustível em miniatura para dispositivos médicos implantáveis

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As células de combustível em miniatura para dispositivos
médicos implantáveis
Para alimentar a próxima geração de implantes médicos baseados em chips, as fontes de energia
precisam ser minúsculas e perpétuas.
O mundo tem um problema de energia. Um que não envolve combustíveis fósseis ou emissões de
carbono. Esse dilema envolve alimentar dispositivos e chips médicos implantáveis cada vez menores,
cuja demanda está crescendo. Atualmente, os dispositivos implantáveis são alimentados por baterias
volumosas que eventualmente exigirão cirurgia para substituir. As células de combustível alimentadas
com glicose são uma solução intrigante, mas também têm limitações.
Usando o açúcar do corpo
As células de combustível em si não são novas e, ao contrário das baterias, elas geram, em vez de
armazenar energia. Em suma, as células de combustível usam catalisadores que oxidam um
combustível no ânodo que produz íons e elétrons carregados positivamente. Como os íons viajam
através de uma membrana eletrólito para o cátodo, os elétrons se movem através de um circuito para
criar eletricidade. Usar glicose como combustível para implantes de células é engenhoso, pois a glicose
é uma molécula abundante e altamente energética no corpo. Os problemas de tamanho permanecem,
porém, porque os polímeros comumente usados como eletrólito se quebram quando esticados muito
finos.
https://www.globenewswire.com/news-release/2021/11/17/2336516/0/en/Implantable-Medical-Devices-Market-size-worth-141-08-Billion-Globally-by-2028-at-6-52-CAGR-Verified-Market-Research.html
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1388248113003640#s0005
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“Se você quer implantar algo em um cérebro, todo espaço é valioso, então você não quer vir com uma
bateria muito volumosa ou célula de combustível de polímero”, explica Jennifer Rupp, co-autora de um
artigo em Materiais Avançados descrevendo um novo tipo de célula de combustível em miniatura. Rupp
e seu então estudante de doutorado Philipp Simons imaginaram um projeto de célula de combustível
pequeno o suficiente para caber em um chip de silício e alimentar uma variedade de sensores e
dispositivos médicos. Para isso, eles precisavam de um material extremamente fino, em torno de 250
nanômetros, que mantém suas propriedades elétricas. “Este 250 nm, que você nunca poderia alcançar
com um polímero, porque em algum momento é como esticar plástico muito fino e, ao mesmo tempo, as
propriedades funcionais quebram nessas escalas de comprimento”, diz Simons. Para superar isso, eles
se voltaram para a cerâmica.
Cerâmica, mais do que cerâmica
A maioria das pessoas pensa em cerâmica como um material de construção, ou uma caneca de café diz
Rupp, mas eles são realmente encontrados na maioria das baterias e uma variedade de dispositivos
eletrônicos. A cerâmica é útil em eletrônica porque pode ter uma variedade de propriedades elétricas,
como semicondutor ou supercondutor. Para Rupp e Simons, a capacidade de manter essas
propriedades elétricas em larguras superfinas era crucial. “Nós usamos materiais cerâmicos que podem
realmente ser fabricados até a escala nano, o que significa que fomos capazes de construir um
dispositivo que no total é de cerca de 400 nanômetros.”
Este é o primeiro projeto para uma célula de combustível usando cerâmica, que é um passo importante
para alimentar dispositivos médicos baseados em chips. “Traí-lo em um chip de silício é muito importante
porque há mais e mais sensores ou outras coisas que você deseja usar em um corpo humano, mas
todos eles precisam ser alimentados”, diz Rupp. No final, Simons foi capaz de encaixar 30 dessas
células em um único chip, tornando esta a menor fonte de energia até o momento que poderia ser usada
no corpo.
É importante ressaltar que as cerâmicas são incrivelmente resistentes ao calor, o que significa que
podem suportar as temperaturas extremas necessárias para esterilizar os implantes. Testar o design in
vivo é o próximo passo no desenvolvimento. “Tentar e ver o que acontece quando você tem o sistema
imunológico responder a ele vai ser realmente interessante e isso vai causar alguns desafios adicionais”,
diz Simons. Rupp também acredita que o dispositivo ainda pode ser melhorado. “Eu acho que alguns
projetos de dispositivos alternativos para aumentar ainda mais as densidades de energia também seriam
de interesse.”
Referência: Simons et al., Célula de Glicose Cera-Eletrolyta para Eletrônica Implantável. Materiais
avançados. Em 2022. DOI: 10.1002/adma.202109075
Crédito de imagem: Kent Dayto
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109075
https://ceramics.org/about/what-are-engineered-ceramics-and-glass/ceramics-and-glass-in-electrical-and-electronic-applications
https://doi.org/10.1002/adma.202109075
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