Implantoitava glukoosipolttokenno anturina ja teholähteenä – teoreettinen tausta ja mallinnus
Hakala, Anna Valpuri (2016)
Hakala, Anna Valpuri
2016
Biotekniikan koulutusohjelma
Luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2016-06-08
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201605264175
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201605264175
Tiivistelmä
Tämä diplomityö käsittelee implantoitavaa abioottista glukoosipolttokennoa, jota voidaan käyttää glukoosianturina tai ihmiseen integroidun elektroniikan teholähteenä. Polttokennon toiminta perustuu glukoosin hapettumiseen huokoisella anodilla elektrodimateriaalin katalyyttisen vaikutuksen vuoksi. Katodina toimii sileä elektrodi, ja se katalysoi hapen pelkistymistä vedeksi.
Anodin ja katodin välille muodostuu jännite, mikäli ne ovat reaktiospesifejä. Tämän työn taustalla olevan polttokennon reaktiospesifiys on toteutettu huokoisen ja sileän pinnan avulla. Glukoosin hapettuminen on hidas reaktio, ja glukoosimolekyylit pääsevätkin diffuntoitumaan syvälle huokosiin. Hapen pelkistyminen on nopea reaktio, joten happi ei diffuntoidu huokosiin, vaan reagoi sileällä katodilla.
Tämä työ esittelee ja selittää ilmiöitä, jotka vaikuttavat abioottisen glukoosipolttokennon toimintaan. Työn suurinta antia on se, että työssä on selvitetty niin kemialliset, fysikaaliset kuin myös fysiologiset ilmiöt niin tarkasti kuin mahdollista, sillä ne kaikki vaikuttavat polttokennoon, mikäli se implantoidaan ihmiskehoon. Työssä käsitellään lyhyesti myös polttokennoon liittyvää eettistä pohdintaa.
Työn kokeellisena osuutena on reagoivien molekyylien diffuusion mallintaminen, polttokennon toimiessa anturina ja teholähteenä. Näiden kahden sovelluksen suurimpana erottavana tekijänä on elektrodien koko: Anturin tulee olla mahdollisimman pieni siten, että vielä saadaan luotettavia tuloksia glukoosikonsentraatiosta, kun taas teholähteen tuottaman tehon tulee olla riittävä. Riittävä tehontuotto varmistetaan riittävän suurella pinta-alalla.
Lopputuloksena voidaan todeta, että reaktiota rajoittava tekijä on vereen liuenneen hapen konsentraatio. Molekyylien diffuusio rajoittaa reaktiota vielä lisää, kun hapen diffuusio katodille on hidasta. Anturikonfiguraatiossa käytettävät hyvin pienet elektrodit eivät rajoita diffuusiota juurikaan, mutta elektrodien kokoa kasvatettaessa huomataan, että diffuusionopeuteen vaikuttaa se, etteivät molekyylit pysty läpäisemään elektrodia, ja sen kiertäminen diffuusion avulla on hidasta. Voidaan myös todeta valitun mallinnusohjelman soveltuvan polttokennon tarkasteluun myös jatkossa. This is a Master’s Thesis about an implantable abiotic glucose fuel cell, which can be used as a glucose sensor or as a power source for bio-integrated electronics. The functionality of the fuel cell is based on oxidation of glucose molecules on the porous anode, which catalyzes the reaction. In this particular case, the cathode is a smooth surface, which catalyzes oxygen reduction reaction (ORR). If the anode and the cathode are reaction spesific, there will be a voltage between them. In this case the reaction specificity is achieved with a porous and a smooth electrode surface. Glucose oxidation reaction is a sluggish reaction, and the glucose molecules can diffuse into the pores of the anode. Oxygen reduction reaction is a fast reaction, which means that oxygen molecules cannot reach the pores, but reacts on the smooth surface. This thesis presents and explains phenomena affecting the function of the abiotic glucose fuel cell. The main point is to consider chemical, physical and physiological phenomena as precisely as possible, because the fuel cell is supposed to be implantable. There is also an ethical briefing to the bio-integrated electronics. The experimental part of the thesis is modeling the diffusion of the reactive molecules when the fuel cell acts as a sensor and as a power source. The main physical difference between these two applications is the size of the electrodes: The sensor should be as small as possible so that we can still get reliable information about the glucose concentration. When used as a power source, the area of the fuel cell must be large enough to provide enough energy to the electronics. As a result we can say that the most restraining factor is the concentration of oxygen dissolved into the blood. The next limiting phenomenon is diffusion of oxygen molecules to the cathode. The small electrodes used in sensor configuration do not limit the diffusion, but when the area of the electrodes is increased, we noticed that the molecules can no more diffuse past the electrode as quickly as with the smaller electrode. We can also recommend the modeling software for future modeling of glucose fuel cell.
Anodin ja katodin välille muodostuu jännite, mikäli ne ovat reaktiospesifejä. Tämän työn taustalla olevan polttokennon reaktiospesifiys on toteutettu huokoisen ja sileän pinnan avulla. Glukoosin hapettuminen on hidas reaktio, ja glukoosimolekyylit pääsevätkin diffuntoitumaan syvälle huokosiin. Hapen pelkistyminen on nopea reaktio, joten happi ei diffuntoidu huokosiin, vaan reagoi sileällä katodilla.
Tämä työ esittelee ja selittää ilmiöitä, jotka vaikuttavat abioottisen glukoosipolttokennon toimintaan. Työn suurinta antia on se, että työssä on selvitetty niin kemialliset, fysikaaliset kuin myös fysiologiset ilmiöt niin tarkasti kuin mahdollista, sillä ne kaikki vaikuttavat polttokennoon, mikäli se implantoidaan ihmiskehoon. Työssä käsitellään lyhyesti myös polttokennoon liittyvää eettistä pohdintaa.
Työn kokeellisena osuutena on reagoivien molekyylien diffuusion mallintaminen, polttokennon toimiessa anturina ja teholähteenä. Näiden kahden sovelluksen suurimpana erottavana tekijänä on elektrodien koko: Anturin tulee olla mahdollisimman pieni siten, että vielä saadaan luotettavia tuloksia glukoosikonsentraatiosta, kun taas teholähteen tuottaman tehon tulee olla riittävä. Riittävä tehontuotto varmistetaan riittävän suurella pinta-alalla.
Lopputuloksena voidaan todeta, että reaktiota rajoittava tekijä on vereen liuenneen hapen konsentraatio. Molekyylien diffuusio rajoittaa reaktiota vielä lisää, kun hapen diffuusio katodille on hidasta. Anturikonfiguraatiossa käytettävät hyvin pienet elektrodit eivät rajoita diffuusiota juurikaan, mutta elektrodien kokoa kasvatettaessa huomataan, että diffuusionopeuteen vaikuttaa se, etteivät molekyylit pysty läpäisemään elektrodia, ja sen kiertäminen diffuusion avulla on hidasta. Voidaan myös todeta valitun mallinnusohjelman soveltuvan polttokennon tarkasteluun myös jatkossa.