- Baterie budoucnosti? Metal-O₂ se samy dobíjejí kyslíkem z těla organismů
- Tyto baterie vynikají vysokou kapacitou a nízkými náklady
- Baterie poskytují potenciální přínos i v léčbě rakoviny, kde by mohly „vyhladovět“ rakovinné buňky
Implantovaná zařízení otevírají novou kapitolu v medicíně, která slibuje revoluční přístupy k léčbě, diagnostice a monitorování pacientů. Díky nim mohou lékaři s nebývalou přesností a minimální invazivitou zasahovat do lidského organismu a otevírat tak cestu k efektivnější a šetrnější péči. Pro napájení těchto zařízení jsou klíčové baterie, které by měly vynikat dlouhou životností a vysokou energetickou hustotou. Dlouhou dobu byly využívány tradiční baterie, jako jsou Li-I₂ a Ag-Zn, jejich kapacita je však limitována, což omezuje využitelnost implantovaných zařízení. Nová naděje se nabízí v podobě tzv. metal-O₂ baterií, které jako zdroj své energie využívají kyslík, jenž se nachází přímo v organismu.
Baterie, která se sama „nakrmí“
Přelomové metal-O₂ baterie otevírají dveře do světa bez nutnosti dobíjení kardiostimulátorů a inzulínových pump. Tato inovativní technologie, která využívá kyslík z okolního prostředí jako zdroj energie, se tak stává sci-fi snem, který se pomalu mění v realitu. Naše těla jsou plná biomolekul, které by se daly využít jako palivo pro baterie. Patří sem kyslík, glukóza, enzymy, a dokonce i pot.
Základní princip fungování metal-O₂ baterie spočívá v chemické reakci mezi katodou a anodou. Anoda obsahuje enzymy, které katalyzují oxidaci biomolekul, jako je glukóza nebo laktát, uvolňované z lidských tkání. Během této oxidační reakce se uvolňují elektrony. Naopak katoda slouží k redukci kyslíku z okolního prostředí za vzniku vody. Tato redukční reakce spotřebovává elektrony uvolněné na anodě a generuje elektrický proud. Nesmíme opomenout ani elektrolyt. Elektrolyt slouží jako iontové médium pro přenos nabitých částic mezi anodou a katodou. V metal-O₂ bateriích se obvykle používají elektrolyty na bázi biokompatibilních polymerů nebo gelů.
Tyto baterie nabízejí kapacitu, která je 5–10krát větší než běžné baterie používané v implantovaných zařízeních, a přinášejí tak výrazné zvýšení výkonu. Co víc, materiály použité v metal-O₂ bateriích jsou plně kompatibilní s lidským tělem, což snižuje riziko nežádoucích reakcí a zvyšuje spolehlivost a bezpečnost použití. Sodík který je v lidském těle zastoupený ve formě iontů Na⁺, představuje důležitý prvek, jehož vlastnosti výzkumníci zkoumají jako slibný materiál pro anody v dobíjecích bateriích, zejména v kontextu Na-O₂ baterií. Ty totiž nabízejí vysokou teoretickou energetickou hustotu, nízké náklady a široké spektrum potenciálních aplikací.
Předpokládané energetické hustoty Li-O₂ a Na-O₂ baterií jsou ohromující, dosahují hodnot jako 3458 a 1605 Wh/kg, což je výrazně nad rámec současných lithium-iontových baterií. Kyslík, který je nezbytný pro život, je naštěstí přítomný ve všech živých tkání, což dává bateriím obrovský potenciál pro trvalé zásobování energií. Jejich design musí umožňovat, aby se dovnitř baterie dostávaly aktivní složky z tělních tekutin. Dalším důležitým hlediskem je také to, aby součásti baterie nezpůsobovaly problémy nebo alergické reakce v těle.
Šetrné k organismu a bez metabolických změn
Vědci se zaměřili na výzkum biokompatibility kyslíkových baterií, a to konkrétně na zánětlivé reakce, metabolické změny a regeneraci tkání v okolí baterie. Zánět je přirozenou reakcí organismu na cizí materiál. V případě implantovaných zařízení je důležité, aby zánět byl minimální, aby se zabránilo poškození tkáně a odmítnutí implantátu. Vědci zkoumali zánětlivé reakce v okolí kyslíkových baterií u krys a zjistili, že byly mírné a srovnatelné s reakcemi na jiné biomateriály. To naznačuje, že kyslíkové baterie nezpůsobují nadměrnou zánětlivou reakci, a jedná se tak o bezpečnou a kompatibilní technologii.
Dále se vědci zaměřili na výzkum metabolických změn, které by mohly probíhat v přítomnosti těchto baterií. Chemické reakce probíhající v kyslíkových bateriích produkují vedlejší produkty, které mohou ovlivnit metabolismus okolních tkání. Vědci analyzovali metabolismus krysích tkání v okolí kyslíkových baterií a zjistili, že nedošlo k žádným významným změnám. To naznačuje, že vedlejší produkty baterie nemají negativní vliv na metabolismus tkání, a jsou tedy biokompatibilní. Ukazuje se, že baterie produkují pouze ionty sodíku, hydroxidové ionty a malé množství peroxidu vodíku. Vědci zjistili, že všechny tyto látky jsou snadno metabolizovány krysím organismem a nemají žádný vliv na játra nebo ledviny. To naznačuje, že by tyto baterie mohly být ideální pro implantovatelná zařízení a další aplikace v biomedicíně.
Tým vědců se chystá provést rozsáhlý výzkum kyslíkových baterií. Cílem je lépe porozumět této technologii a jejímu potenciálu v léčbě různých onemocnění, včetně rakoviny. Existuje teorie, že kyslíkové baterie by mohly být použity k odříznutí nádorů od kyslíku, který je nezbytný pro jejich růst. To by mohlo vést k novým terapeutickým strategiím v boji proti rakovině. Navzdory těmto nadějným výsledkům je však nutné provést další výzkum a klinické studie, aby bylo dosaženo praktického využití kyslíkových baterií v medicíně.
Josef Novák
Další dnešní články
