Композит на основе древесины зарядил аккумулятор через мышцы

Китайские ученые разработали пьезоэлектрический материал для ультразвуковых зарядных устройств. В качестве темплата они использовали древесину, но целлюлозные волокна в ней заменили на цирконат свинца с добавками титана, а матрицу из лигнина — на матрицу из полидиметилсилоксана. Благодаря упорядоченной структуре новый материал оказался на порядок эффективнее, чем его предшественники. В будущем такие устройства помогут перезаряжать кардиостимуляторы и другие электронные имплантаты без хирургического вмешательства. Результаты исследования опубликованы в журнале Energy & Environmental Science.

Почти полтора миллиона людей сегодня живут с имплантированным кардиостимулятором. У таких приборов, как и у всех электронных имплантатов, есть серьезная проблема: все они питаются от встроенного аккумулятора, а для перезарядки требуется полноценная хирургическая операция. Поэтому ученые и медики ищут способы заряжать имплантаты прямо внутри тела пациента.

Самый популярный способ беспроводной передачи энергии — с помощью электромагнитной индукции — для использования в человеческом организме не подходит. Безопасной альтернативой оказалась передача энергии с помощью ультразвука на низких интенсивностях. Чтобы ультразвук заряжал батарею имплантата, под кожу надо вживить пластины из пьезоэлектрического или трибоэлектрического материала. И те и другие материалы умеют преобразовывать механическую энергию в электрическую. В теории все выглядит просто: под действием ультразвука пластины начинают вибрировать и деформироваться, а полученная электроэнергия заряжает аккумулятор. Однако, на практике сделать эффективное зарядное устройство для имплантатов оказалось сложнее. Нужен мягкий, легкий и нетоксичный материал, который откликался бы даже на слабое ультразвуковое воздействие через слой кожи и мышц.

Китайские ученые под руководством Чжэнь Бао Яна (Zhengbao Yang) из Городского Университета Гонконга придумали, как сделать пьезоэлектрик для ультразвуковой зарядки на основе структуры обычной древесины. Древесина — уже готовый природный композитный материал, который состоит из множества параллельных волокон полимера целлюлозы в матрице более мягкого полимера лигнина. Благодаря своей упорядоченной структуре древесина и сама имеет слабые пьезоэлектрические свойства — при деформации кристаллитов целлюлозы центры тяжести положительных и отрицательных зарядов движутся в разные стороны, и для соблюдения электростатического равновесия на поверхности кристаллитов появляются заряды. В начале года швейцарские материаловеды усилили пьезоэлектрический отклик древесины очень оригинальным способом — дали грибам съесть весь лигнин, что сделало материал более сжимаемым. Авторы новой работы пошли другим путем: использовали древесину в качестве темплата, чтобы получить упорядоченную структуру другого пьезоэлектрического материала — цирконата свинца, допированного титаном в положение циркония (Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃, PZT).

Ученые работали с легкой и пористой древесиной бальзового дерева. Сначала нарезанные поперек волокон пластинки толщиной пять миллиметров поместили в кипящий раствор пероксида водорода на три часа. После такой обработки древесина посветлела и стала мягче — лигнин и гемицеллюлоза полностью растворились, оставив только целлюлозный каркас. После этого пластины помыли, высушили, погрузили в суспензию PZT и выдержали при температуре 70 градусов Цельсия в течение часа. Затем, чтобы полностью удалить целлюлозу, пластины обожгли при температуре 1000 градусов Цельсия. И наконец, пустоты между PZT-волокнами заполнили мягким и гибким полидиметилсилоксаном (PDMS). Получился материал со структурой древесины, но полностью измененным химическим составом: целлюлозу в нем заменили на PZT, а матрицу из лигнина — на матрицу из PDMS.

Чтобы сделать прототип зарядного устройства на обе стороны пластин нанесли серебряные электроды и сверху запечатали все еще одним слоем PDMS.
Когда на такую пластинку воздействуют вертикально (вдоль волокон), деформация всего каркаса происходит согласованно, и пьезоэлектрический отклик многократно усиливается. В то же время в поперечном направлении композит гнется почти так же хорошо, как и чистый PDMS без включений.

Чтобы подобрать оптимальное расстояние, частоту и интенсивность ультразвука, авторы провели несколько серий экспериментов. В качестве разделителя использовали сначала слой воды, а затем ткани свиньи. Устройство площадью 9 квадратных сантиметров выдавало напряжение в 21 Вольт, ток до 2 миллиампер и плотность мощности до 304 микроватт на квадратный сантиметр. Это почти в четыре раза больше, чем рекорд для пьезоэлектрических ультразвуковых зарядных устройств, и в пятьдесят раз больше, чем у лучшего гибкого устройства.

Наконец, зарядные устройств вживили под кожу взрослым самцам мышей. Для этого эксперимента размер устройства пришлось уменьшить до 0,225 квадратных сантиметров, а толщину до 3 миллиметров, поэтому напряжение, сила тока и мощность тоже снизились. Тем не менее авторам удалось зарядить аккумулятор емкостью 100 мкФ за восемь секунд.

Янг и его коллеги рассчитали так называемый механический индекс ультразвука — параметр, который показывает опасность ультразвукового воздействия для тканей пациента. Значение получилось почти втрое ниже, чем порог для ультразвука в медицинской диагностике. Также авторы исследовали цитотоксичность композита, сравнив ее с цитотоксичностью чистого PZT без покрытия и чистого PDMS. Оказалось, что PZT  без покрытия имеет высокую цитотоксичность, однако в составе композита он не опасен, потому, что покрытие из PDMS надежно удерживает его внутри.

Заряжать гаджеты на человеческом теле умеют и другие ученые. Летом команда американских материаловедов разработала пластырь, который позволяет получать электроэнергию даже когда человек спит. Ученые соединили биотопливный элемент, который умеет собирать пот с кончиков пальцев и окислять содержащийся в нем лактат, с пьезоэлементом, который вырабатывает дополнительную электроэнергию, когда человек работает со смартфоном ли компьютером.

Наталия Самойлова