美食制作的可体内杀菌的超级电容器

当下,医疗科技取得了巨大的进步,新型的医疗科技将改变传统的医疗方式。植入式电子设备已经成为一种重要的医疗手段,诸如传感器、心脏起搏器或探测脑部神经等。但是接受移植的患者需要经历手术和术后并发症的痛苦。针对此问题科学家们研究出了生物可降解的设备例如传感器和有机晶体管等。这种可降解设备不需要手术取出,但依旧无法解决需要手术植入的问题。因此如何在减少患者承受痛苦的同时起到医疗的作用,成为了一个亟待解决的问题。

近日,来自美国亚利桑那州立大学 (Arizona State University) 的姜汉卿教授的研究团队将目光着眼于人体的消化系统,开发了一款电子产品通过消化系统进入人体进行工作。该电子产品是一种完全由食物构成的可食用超级电容器。该超级电容器不仅赋予了食品一个崭新的定义和用途,还有望应用在人体中消灭有害细菌或为体内电子设备供电。

传统的超级电容器由泡沫镍作为集流体、活性炭为电极活性物质、聚合物作为隔膜和酸性或碱性溶液作为电解液,该团队针对超级电容器中每个部件的特点选择了相应的食物替代。虽然活性炭是一个已知的超级电容器的电极材料,但是用可食用的活性炭作为电极材料却没有被发现。该团队选择了治疗胃病的医用活性炭作为电极的活性材料,该活性炭表面积高达1,400m2/g并且具有高电导率,是超级电容器非常理想的电极材料。蛋清因为富含蛋白质,遇水后蛋白质分子间形成大量氢键具有很高的粘性,此特性可作为粘结剂与活性炭制作成电极材料。常用的镍、铜等集流体不能被人所食用和吸收,为解决这个问题该团队选用了蛋糕中可食用的装饰金箔和银箔作为集流体,在保证高导电率的同时也能被人体所食用。对于隔膜材料,该团队将目光着眼于制作寿司或者零食的海苔。海苔天然具有多孔结构并且电绝缘,因此它可以在为离子传导提供通道的同时阻止两个电极相互接触形成短路。电解液需要提供离子在两极间传导,因此该团队选择了功能饮料和其他富含钠、钾离子的饮料作为电解液。并且成功尝试了BBQ酱和果冻分别作为半固态和固态电解质。超级电容器的封装材料亦选取了可食用的产品—明胶。明胶可以做成胶囊或者果冻,但利用它可以高温熔化的特性,可以作为超级电容器的封装材料。凝胶糖果(Gummy candy)也用于封装材料。为了防止封装材料吸收电解液而溶解,该团队采用奶酪片作为阻隔层。

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将这几种常见的食品饮料组合在一起,就得到了一个可食用的超级电容器。在1A/g电流下,首次放电容量可达78.8F/g,循环1000次后容量保留率高达92.3%。在胃酸模拟液中,该超级电容器可点亮LED灯4分钟,一小时后完全被胃酸模拟液分解。该团队还应用了无线充电磁感应线圈为超级电容器进行充电,保证超级电容器的持续工作。此超级电容器还可以为一个5V,35mA的针孔摄像头供电。该超级电容器对磷酸盐离子缓冲液(PBS)中的E.coli大肠杆菌持续0.5-1mA低电流放电60分钟,99.3%的细菌被杀死。效率远超现在的抗生素。

可食用的超级电容器的制作过程

可食用的超级电容器的驱动摄像头

亚利桑那州立大学机械工程专业教授姜汉卿表示:“我们相信食物可以有更多的用途,比如做成这种超级电容器。我们已经成功用这种超级电容器杀死培养皿里的细菌,并且为一个微型摄像头供电。它将以此方式为一个胃肠医生提供所需要的帮助。”

这项研究解决了很多人体内电子元器件面临的问题。比如它可以不需要手术就可以进入人体进行工作,具有较高的能量密度并且可以进行体外无线充电,而且它全部由常见食物组成不会导致胃部不适和身体排斥,在发挥作用的同时不会对人体产生任何不利影响。

这项工作开启了一个新的在人体内应用电子设备的思路。文章发表在Advanced Materials Technology(DOI: 10.1002/admt.201600059)上,主要研究成员包括王旭,许雯雯,和Prithwish Chatterjee。