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植入生物燃料電池監控健康

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林倞、專利佈局情報分析團隊 發表於 2016年6月14日

圖一、植入生物燃料電池監控健康

植入心律調節器的病患每十年要重新開刀更換電池;植入人工心臟的病患必須外接笨重的電池,行動受到限制,無法享受正常人的生活;有沒有可能讓心律調節器、人工心臟等人造器官,不須更換電池,不會變成露出人體外的累贅,只靠人體養分就能運作?現在科學家發明一種利用人體血糖來發電的生物燃料電池,雖然還處於試驗階段,一旦這種電池發展成熟,不只能用在血糖量測,甚至能維持心律調節器的運作,或用在植入式電腦,讓人類的記憶力與智慧無限延伸。以下簡介幾個相關研究團隊的重要進展。

麻省理工的Rapoport團隊成功讓培養皿裡浸泡腦髓液的白金生物燃料電池發電;這種生物燃料電池能產生數十毫瓦的電力,約等於傳統太陽能計算機在室內日光燈下產生的瓦數,這對於現今的微電腦而言,已足夠進行非常複雜的運算。腦髓液一般存在於人類大腦與脊髓的週遭並含有葡萄糖,生物燃料電池則能氧化葡萄糖而產生電力;更重要的,腦髓液裡的白血球很少,不會對生物燃料電池產生排斥。既然生物燃料電池能利用腦髓液裡的葡萄糖發電,有腦髓液的地方就能植入搭載生物燃料電池的神經訊號感測器或電腦,讓人腦不插電,就能輕易存取電腦資訊或操縱義肢。

而麻省理工這種把白金催化劑做在矽基板上的生物燃料電池,不需要太困難的技術,十年前的半導體製造技術就夠用了;尺寸可以做得比青春痘更小,將來可大量放置在人類頭骨或脊髓內。白金生物燃料電池有許多優點,除了上述成熟製程帶來的產品穩定度外,作為催化劑,白金的活性損耗率遠低於天然酵素,且具有生物相容性,免疫系統不會產生排斥。白金讓葡萄糖釋出電力的方式與人體分解葡萄糖產生能量十分類似,相當於消耗了一點點本來應該供給大腦的養分,而讓人餓得快一些。

上述研究成果還停留在生物「體外」試驗的階段,法國約瑟夫傅立葉大學的科學家則已經將生物燃料電池植入老鼠的腹部。約瑟夫傅立葉大學的生物燃料電池使用了具有生物相容性的Dacron纖維作為電池外殼;取出植入的生物燃料電池之前,這隻老鼠在沒有任何排斥或感染的情況下,健康活了近4個月;這段期間,電池附近的活體組織還能正常地生長。這隻老鼠體內的生物燃料電池可以點亮LED燈或開啟數位溫度計,發電量已足夠用在心律調節器、藥物定時定量釋放或疼痛控制等,更別說是簡單的生理數據監控,是非常重要的研究成果。

其實還沒等到生物燃料電池的技術成熟,早已有許多人迫不及待地把電子零件裝進自己的身體裡。英國Coventry大學的副校長Warwick是已知世界上最早把晶片植入體內的人;他利用一般寵物晶片的成熟技術,就能夠隔空開門,甚至控制遠端的機器手臂。一兩年前,澳洲的Ben Slater也在手掌植入晶片,並成功讓手機感應晶片;他期待有人能為這個功能開發對應的應用程式。

侵入式零件尚有致癌的疑慮。以人體植入式醫療器材製造商VeriTeQ為例,產品即使通過美國食品與藥物管理局認證,仍未能被市場所接受。但隨著科技發展與應用情境的利害取捨,相信生物燃料電池還是大有可為。

〈作者是國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心 助理研究員〉

〈本文刊登於經濟日報2016/06/05〉

 
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