V akčních filmech s tajnými agenty se občas objevují zařízení, která někomu předají důležitý vzkaz a poté se sama zničí. Vědci pracují na podobných zařízeních i v reálném světě, jen se nevyužívají v tajných službách, ale spíše v biomedicíně.
Porézní a drsná elektroda nabízela bakteriím vynikající podmínky, což zlepšilo elektrogenní schopnost mikroorganismů © Seokheun „Sean“ Choi / Binghamton University
Seokheun „Sean“ Choi z americké Binghamtonské univerzity a jeho spolupracovníci vyvíjejí jednorázovou „papírtroniku“ už déle než 20 let. Jako největší problém takové krátkodobé elektroniky se přitom ukazuje baterie. Podle Choie by se krátkodobá elektronika mohla uplatnit v řadě biomedicínských a environmentálních aplikací. Musí se ale rozkládat tak, aby to bylo biologicky bezpečné.
Jak Choi zdůrazňuje, určitě nechcete ve svém těle toxické produkty rozkladu takového zařízení. S kolegy proto usilují o biovstřebatelnou (bioresorbable) elektroniku. Potíž je v tom, že většina současných zdrojů energie, jako jsou třeba lithium-iontové baterie, obsahuje toxický materiál.
Řešením by se mohly stát probiotické bakterie, které žijí v mikrobiomu, a přitom jsou schopné produkovat elektřinu. Choi s kolegy upravili povrch používaných elektrod tak, aby byly vhodnější pro usazení a růst bakterií, stejně jako pro jejich schopnost vyrábět elektřinu. Jeden tako původní rozpustný mikrobiální palivový článek vyvinula během svého studia v Binghamtonu Maedeh Mohammadifarová, absolventka Choiovy laboratoře bioelektroniky a mikrosystémů.
„Použili jsme známé bakterie produkující elektřinu, které spadají do úrovně biologické bezpečnosti 1, takže jsou bezpečné — ale nebyli jsme si jisti, co by se stalo, kdyby se tyto bakterie vypustily do přírody,“ řekl Choi.
Doktorandka Maryam Rezaieová pak navázala vedením nejnovějšího výzkum s použitím předem připravené směsi 15 probiotik.
„Je dobře zdokumentováno, že probiotika jsou bezpečná a biokompatibilní, ale nebyli jsme si jisti, zda tato probiotika mají schopnost produkovat elektřinu,“ řekl Choi. „K zodpovězení této otázky bylo nutné provést spoustu experimentů.“ Dodal, že první výsledky se neukázaly jako příliš příznivé, ale nevzdali to a vytvořili povrch elektrody, který by mohl být pro bakterie vhodnější, a to pomocí polymeru a některých nanočástic tak, aby hypoteticky zlepšili elektrokatalytické chování probiotik a podpořili jejich účinek.
Modifikovaná elektroda byla porézní a drsná, což nabízelo vynikající podmínky pro uchycení a růst bakterií a zlepšilo elektrogenní schopnost mikroorganismů. Potažení rozpustného papíru realizovali s pomocí polymeru citlivého na nízké pH — což znamená, že bude fungovat pouze v kyselém prostředí, jaké poskytuje znečištěná oblast nebo lidský trávicí systém, které zvyšuje výstupní napětí a dobu provozu baterie.
Přestože vzorky zatím vyprodukovaly jen malé množství energie, Choi se na experimenty dívá jako na důkaz konceptu, na kterém mohou on a budoucí studenti stavět.