Ученые из Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий и Федеральной политехнической школы Лозанны разработали прототип суперконденсатора, предназначенного для имплантации в человеческое тело на десятилетия. Созданное устройство сочетает высокую плотность энергии, химическую устойчивость и полную биосовместимость, что делает его потенциальной заменой литий-ионным батареям в медицинских имплантах.
Современные импланты (от кардиостимуляторов и слуховых аппаратов до нейроинтерфейсов и миниатюрных сенсоров) все чаще требуют автономного и гибкого источника питания. Сегодня эту задачу решают литий-ионные аккумуляторы. Но у них есть критические недостатки: ограниченный срок службы, потеря емкости при многократных циклах, жесткий корпус и, что гораздо важнее, токсичность при повреждении. Для имплантов, находящихся в непосредственном контакте с живыми тканями, такие риски недопустимы. Поэтому инженеры по всему миру ищут альтернативу – надежные накопители, которые могли бы работать десятилетиями, не требуя замены и не взаимодействуя с организмом.
В новом устройстве вместо традиционного металлического корпуса и жидких электролитов используется пористое углеродное волокно, пропитанное активными веществами – карбидом титана с атомарной толщиной (MXene), графеном и проводящим полимером полианилином, повышающим емкость за счет быстрых окислительно-восстановительных реакций. Эти материалы обладают высокой электропроводностью, стойкостью к коррозии и доказанной биосовместимостью.
В качестве электролита применен водный раствор фосфорной кислоты, безопасной для тканей в малых концентрациях и широко используемой в пищевой промышленности. Для стабилизации состава и защиты электродов в раствор добавили поливиниловый спирт, образующий гелеобразную структуру. Он делает электролит вязким и стабильным, предотвращает вымывание титана из MXene, препятствует образованию побочных соединений и тем самым увеличивает срок службы устройства.
Разработанный суперконденсатор способен накапливать до 6,07 ватт-часа энергии на килограмм массы и сохраняет 86% емкости даже после 60 тысяч циклов зарядки и разрядки. Для сравнения: большинство литий-ионных микробатарей начинают терять емкость уже после 1000-2000 циклов. Кроме того, высокая скорость зарядки позволяет питать устройство бесконтактным способом – например, при помощи индукционного поля, как это уже делается в современных имплантах.
Биологическая безопасность всех компонентов была подтверждена серией испытаний по международным стандартам ISO и OECD. Клеточные тесты показали высокую жизнеспособность (более 90%) и отсутствие признаков токсичности или генетических нарушений. Даже полностью собранное устройство не вызвало воспалительных реакций, что подтверждает его пригодность для имплантации.
Особую роль сыграл поливиниловый спирт: он не только стабилизирует электролит, но и предотвращает разрушение электродов. В образцах без этого полимера со временем появлялись кристаллы титанфосфата, нарушающие проводимость. Добавление спирта полностью исключило этот эффект, защищая активные слои от окисления и продлевая срок службы.
Швейцарские исследователи уверены, что их технология поможет создать «вечные» микродатчики, кардиостимуляторы и нейроимпланты, избавив пациентов от необходимости заменять батареи. Теперь ученые сосредоточены на клинических испытаниях устройства.
