포도당은 우리 몸의 모든 세포에 동력을 공급한다. 즉, 모든 세포 기능에 필요한 에너지의 원천으로 대사 조절작용을 한다. MIT와 뮌헨공과대학교(Technische Universität München)의 공동 연구팀이 이 포도당이 의료용 인체 내 임플란트에 혁신적인 동력이 될 수 있는 비전을 제시했다.

연구팀은 포도당을 직접 전기로 변환하는 새로운 종류의 포도당 연료 전지를 설계한 것으로 이 장치는 이전에 제안된 포도당 연료 전지보다 작으며 두께가 400나노미터에 불과하고 머리카락 지름의 약 1/100 크기로 제곱센티미터당 약 43마이크로와트의 전력을 생성한다. 이는 현재까지 포도당 연료 전지 중 가장 높은 전력 밀도를 달성한 것이다.

새로운 장치는 또한, 최대 섭씨 600도의 온도를 견딜 수 있다. 즉, 이 연료전지는 의료용 인체 임플란트에 통합될 경우, 모든 이식형 기기에 필요한 고온 살균 과정을 거쳐 안정적으로 유지될 수 있다.

연료전지의 핵심은 고온 및 소형 규모에서도 전기화학적 특성을 유지하는 재료인 세라믹으로 만들어졌다. 연구팀은 연료전지가 새로운 디자인으로 초박형 필름이나 코팅으로현식으로 만들어지고 신체의 풍부한 포도당을 사용하여 전자 장치에 수동으로 전력을 공급하기 위해 임플란트 주위에 감쌀 수 있다고 밝혔다.

MIT 재료과학 및 공학부에서 박사 학위 논문의 일부로 이 장치를 개발한 필립 시몬스는 "포도당은 신체의 모든 곳에 있어 쉽게 사용할 수 있는 이 에너지를 이용해 이식 가능한 장치에 전원을 공급하는 데 사용하는 것"이라고 말했다.

이 연구를 지도한 뮌헨공과대학의 제니퍼 LM 루프(Jennifer LM Rupp) 고체전해질화학부 교수이자 DMSE(MIT Department of Materials Science and Engineering) 방문 교수는 "이 연료전지의 강점은 에너지를 장치에 저장하지 않고 직접 변환하므로 체내 임플란트 부피의 90%를 차지할 수 있는 배터리를 사용하는 대신, 박막으로 장치를 만들 수 있고 안정적으로 전원을 공급할 수 있습니다"라고 말했다.

이 포도당 연료 전지의 기본 설계는 상단 양극, 중간 전해질 및 하단 음극의 3개 층으로 구성된다. 양극은 체액의 포도당과 반응하여 글루콘산(Gluconic Acid)으로 변형시킨다. 이 전기화학적 변환은 한 쌍의 양성자와 한 쌍의 전자를 방출한다.

중간 전해질은 양성자를 전자에서 분리하는 역할을 하여 연료 전지를 통해 양성자를 전도하고 공기와 결합하여 체액과 함께 흘러가는 무해한 부산물인 물 분자를 형성한다. 분리된 전자는 외부 회로로 흘러 전자 장치에 전원을 공급하는 데 사용할 수 있다.

종종 폴리머로 만들어지는 전해질 층을 수정하여 기존 재료와 디자인을 개선하는 방법을 모색했다. 그러나 고분자 특성은 양성자를 전도하는 능력과 함께 고온에서 쉽게 분해되며, 나노미터 차원으로 축소할 때 유지하기 어렵고 살균하기 어렵다,

이에, 연구팀은 자연적으로 양성자를 전도하고 높은 이온 전도도를 갖고 기계적으로 견고하여 수소 연료 전지의 전해질로 널리 사용되는 세라믹 소재인 세리아(Ceria, 산화세륨)로 만든 전해질을 사용하여 포도당 연료 전지를 설계했다. 또한, 세리아는 치아 임플란트에 사용되는 지르코니아(Zirconia)와 유사하며, 생체 적합성 및 안전하다는 것으로 확인했다.

이를 통해 연구팀은 포도당과 쉽게 반응하는 안정한 물질인 백금으로 만들어진 양극과 음극으로 전해질을 끼웠다. 그들은 각각 두께가 약 400나노미터이고 너비가 약 300마이크로미터(사람 머리카락 30개 너비)인 칩에 150개의 개별 포도당 연료 전지를 제작한 것이다.

연구팀은 실리콘 웨이퍼에 세포를 패턴화하여 장치가 일반적인 반도체 재료와 쌍을 이룰 수 있음을 보여주었다. 그런 다음, 맞춤 제작된 테스트 스테이션에서 각 웨이퍼 위로 포도당 용액을 흘릴 때 각 셀에서 생성되는 전류를 측정했다. 약 80밀리볼트의 피크 전압을 생성한다는 것을 확인했다. 각 전지의 작은 크기를 감안할 때 이 출력은 기존 포도당 연료 전지 설계 중 가장 높은 전력 밀도다.