이식 가능하고 생체 적합성인 Na-O2 배터리(제공: Chem/Lv et al.)

이식형 의료 기기는 배터리(예: 심장 박동을 유지하는 맥박 조정기)를 사용한다. 그러나 배터리는 결국 부족해지며 교체하려면 침습적 수술이 필요하다.

그래서 중국 천진이공대학교 연구진은 체내 산소로 작동하는 이식형 배터리를 고안했다. Chem 저널에 발표된 쥐를 대상으로 한 연구는 개념 증명 설계가 안정적인 전력을 제공할 수 있고 신체의 생물학적 시스템과 호환된다는 것을 보여준다.

생체적합성 전극

안전하고 효율적인 배터리를 만들기 위해 연구진은 나트륨 기반 합금과 머리카락 너비보다 수천 배 작은 기공을 가진 나노 다공성 금으로 전극을 만들었다. 금은 생명체와 호환되며 나트륨은 인체의 필수적이고 어디에나 존재하는 요소이다.

전극은 체내 산소와 화학 반응을 일으켜 전기를 생산한다. 배터리를 보호하기 위해 연구진은 배터리를 부드럽고 유연한 다공성 폴리머 필름으로 감쌌다.

연구진은 쥐 등의 피부 아래에 배터리를 이식하고 전력 출력을 측정했다. 2주 후 그들은 배터리가 1.3V에서 1.4V 사이의 안정적인 전압을 생성할 수 있다는 사실을 발견했다. 의료 기기에 전력을 공급하기에는 출력이 부족하지만 설계를 통해 체내 산소를 에너지로 활용하는 것이 가능함을 보여준다.

염증반응 없음

연구팀은 배터리 주변의 염증 반응, 대사 변화, 조직 재생도 평가했다. 쥐는 뚜렷한 염증을 보이지 않았다.

나트륨 이온, 수산화물 이온, 낮은 수준의 과산화수소 등 배터리 화학 반응의 부산물은 신체에서 쉽게 대사되며 신장과 간에 영향을 미치지 않는다. 쥐는 이식 후 잘 치유되었고, 4주 후에는 등의 털이 완전히 다시 자라났다. 배터리 주변의 혈관도 재생됐다.

연구팀은 보다 효율적인 전극 재료를 탐색하고 배터리 구조와 설계를 최적화하여 배터리의 에너지 전달을 늘릴 계획이다.

의료 기기에 전원을 공급하는 것 이상

에너지 재료 및 장치를 전문으로 하는 교신저자 리우 시젱(Xizheng Liu)은 배터리가 생산 과정에서 쉽게 확장될 수 있다고 지적했다. 비용 효율적인 재료를 선택하면 가격을 더욱 낮출 수 있다. 팀의 배터리는 의료 기기에 전원을 공급하는 것 이상의 다른 용도를 찾을 수도 있다.

“종양 세포는 산소 수준에 민감하기 때문에 산소를 소모하는 이 배터리를 이식하면 암을 기아시키는 데 도움이 될 수 있다. 배터리 에너지를 변환하여 암세포를 가열하고 죽이는 것도 가능하다.”라고 리우는 말한다.

이 연구는 중국 국가 핵심 연구 개발 프로그램, 국가 저명한 젊은 학자를 위한 과학 기금 및 중국 국립 자연 과학 재단의 재정적 지원을 받았다.