Die Zukunft des Sehens: Wissenschaftler entwickeln flexible Hornhaut

Von Nanyang Technological University, 28. August 2023

Associate Professor Lee Seok Woo von der School of Electrical and Electronic Engineering (EEE) der NTU hält die flexible Batterie hoch, die so dünn ist wie eine menschliche Hornhaut. Bildnachweis: NTU Singapur

Forscher der Nanyang Technological University in Singapur (NTU Singapore) haben eine flexible Batterie entwickelt, die so dünn wie eine menschliche Hornhaut ist. Dieses innovative Energiespeichergerät lädt sich selbst auf, wenn es in eine Kochsalzlösung getaucht wird, und hat das Potenzial, in Zukunft intelligente Kontaktlinsen mit Energie zu versorgen.

Intelligente Kontaktlinsen sind High-Tech-Kontaktlinsen, die sichtbare Informationen auf unserer Hornhaut anzeigen und für den Zugriff auf Augmented Reality genutzt werden können. Zu den aktuellen Einsatzmöglichkeiten gehören die Unterstützung bei der Korrektur des Sehvermögens, die Überwachung der Gesundheit des Trägers sowie die Erkennung und Behandlung von Krankheiten bei Menschen mit chronischen Erkrankungen wie Diabetes und Glaukom. In Zukunft könnten intelligente Kontaktlinsen entwickelt werden, die alles, was der Träger sieht und hört, aufzeichnen und an einen cloudbasierten Datenspeicher übermitteln.

Um dieses Zukunftspotenzial auszuschöpfen, muss jedoch eine sichere und geeignete Batterie für den Antrieb entwickelt werden. Bestehende wiederaufladbare Batterien basieren auf Drähten oder Induktionsspulen, die Metall enthalten und für den Einsatz im menschlichen Auge ungeeignet sind, da sie unangenehm sind und Risiken für den Benutzer darstellen.

Die von der NTU entwickelte Batterie besteht aus biokompatiblen Materialien und enthält keine Drähte oder giftigen Schwermetalle, wie sie beispielsweise in Lithium-Ionen-Batterien oder drahtlosen Ladesystemen vorkommen. Sie verfügt über eine glukosebasierte Beschichtung, die mit den Natrium- und Chloridionen in der sie umgebenden Salzlösung reagiert, während das in der Batterie enthaltene Wasser als „Draht“ oder „Schaltkreis“ für die Stromerzeugung dient.

Die Batterie könnte auch durch menschliche Tränen angetrieben werden, da diese Natrium- und Kaliumionen in geringerer Konzentration enthalten. Beim Testen der aktuellen Batterie mit einer simulierten Tränenlösung zeigten die Forscher, dass sich die Lebensdauer der Batterie mit jedem zwölfstündigen Tragezyklus um eine weitere Stunde verlängert. Der Akku kann auch konventionell über ein externes Netzteil aufgeladen werden.

Assoc Prof. Lee und Co-Erstautorin der Studie, Frau Li Zongkang, eine Ph.D. Student vom EEE der NTU präsentiert die Batterie. Bildnachweis: NTU Singapur

Der außerordentliche Professor Lee Seok Woo von der School of Electrical and Electronic Engineering (EEE) der NTU, der die Studie leitete, sagte: „Diese Forschung begann mit einer einfachen Frage: Können Kontaktlinsenbatterien mit unseren Tränen aufgeladen werden?“ Es gab ähnliche Beispiele für selbstladende Batterien, beispielsweise für tragbare Technologien, die durch menschlichen Schweiß angetrieben werden.

„Frühere Techniken für Linsenbatterien waren jedoch nicht perfekt, da eine Seite der Batterieelektrode geladen war und die andere nicht. Unser Ansatz kann beide Elektroden einer Batterie durch eine einzigartige Kombination aus enzymatischer Reaktion und Selbstreduktionsreaktion aufladen. Neben dem Lademechanismus werden für die Stromerzeugung lediglich Glukose und Wasser benötigt, die beide für den Menschen ungefährlich sind und im Vergleich zu herkömmlichen Batterien weniger schädlich für die Umwelt wären, wenn sie entsorgt würden.“

Co-Erstautor Dr. Yun Jeonghun, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am EEE der NTU, sagte: „Das gängigste Batterieladesystem für intelligente Kontaktlinsen erfordert Metallelektroden in der Linse, die schädlich sind, wenn sie dem bloßen menschlichen Auge ausgesetzt sind.“ Bei einer anderen Art der Stromversorgung von Objektiven, dem Induktionsladen, muss sich eine Spule im Objektiv befinden, um Strom zu übertragen, ähnlich wie bei einem kabellosen Ladepad für ein Smartphone. Unsere tränenbasierte Batterie beseitigt die beiden potenziellen Bedenken, die diese beiden Methoden mit sich bringen, und schafft gleichzeitig Platz für weitere Innovationen bei der Entwicklung intelligenter Kontaktlinsen.“

Highlighting the significance of the work done by the research team, NTU School of Mechanical & Aerospace Engineering Associate Professor Murukeshan Vadakke Matham, who specializes in biomedical and nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> nanoskalige Optik und war nicht an der Studie beteiligt, sagte: „Da diese Batterie auf Glukoseoxidase basiert, die natürlicherweise beim Menschen vorkommt und durch Chlorid- und Natriumionen, wie sie in unseren Tränen vorkommen, angetrieben wird, sollten sie für den Menschen kompatibel und geeignet sein.“ Verwendung. Darüber hinaus war die Industrie für intelligente Kontaktlinsen auf der Suche nach einer dünnen, biokompatiblen Batterie, die keine Schwermetalle enthält, und diese Erfindung könnte dazu beitragen, ihre Entwicklung voranzutreiben, um einige ungedeckte Bedürfnisse der Industrie zu erfüllen.“

Das Forschungsteam hat über NTUitive, das Innovations- und Unternehmensunternehmen der NTU, ein Patent angemeldet. Sie arbeiten auch an der Kommerzialisierung ihrer Erfindung.

Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nano Energy veröffentlicht.

Das Team demonstrierte seine Erfindung anhand eines simulierten menschlichen Auges (siehe Video). Die etwa 0,5 Millimeter dünne Batterie erzeugt elektrischen Strom, indem sie mit den Basaltränen reagiert – den ständigen Tränen, die einen dünnen Film über unseren Augäpfeln bilden – damit die in den Linsen eingebetteten Geräte funktionieren.

Die flexible und flache Batterie entlädt Elektrizität durch einen Prozess namens Reduktion, bei dem ihre Glukoseoxidase-Beschichtung mit den Natrium- und Chloridionen in den Tränen reagiert und so Strom und Strom in den Kontaktlinsen erzeugt.

Das Team zeigte, dass die Batterie einen Strom von 45 Mikroampere und eine maximale Leistung von 201 Mikrowatt erzeugen kann, was ausreichen würde, um eine intelligente Kontaktlinse mit Strom zu versorgen.

Labortests ergaben, dass der Akku bis zu 200 Mal geladen und entladen werden konnte. Typische Lithium-Ionen-Akkus haben eine Lebensdauer von 300 bis 500 Ladezyklen.

Das Team empfiehlt, den Akku mindestens acht Stunden lang in eine geeignete Lösung zu legen, die eine große Menge an Glukose-, Natrium- und Kaliumionen enthält, damit er aufgeladen wird, während der Benutzer schläft (siehe Abbildung 1).

Die Co-Erstautorin Miss Li Zongkang, eine Doktorandin am EEE der NTU, sagte: „Obwohl drahtlose Energieübertragung und Superkondensatoren hohe Leistung liefern, stellt ihre Integration aufgrund des begrenzten Platzangebots in der Linse eine erhebliche Herausforderung dar.“ Durch die Kombination von Batterie und Biobrennstoffzelle in einer einzigen Komponente kann sich die Batterie selbst aufladen, ohne dass zusätzlicher Platz für kabelgebundene oder kabellose Komponenten erforderlich ist. Darüber hinaus sorgen die an der Außenseite der Kontaktlinse angebrachten Elektroden dafür, dass die Sicht des Auges nicht beeinträchtigt wird.“

Das NTU-Team wird weitere Forschungen durchführen, um die Menge an elektrischem Strom zu verbessern, die ihre Batterie entladen kann. Sie werden außerdem mit mehreren Kontaktlinsenherstellern zusammenarbeiten, um ihre Technologie umzusetzen.

Referenz: „Eine auf Tränen basierende Batterie, aufgeladen mit Biokraftstoff für intelligente Kontaktlinsen“ von Jeonghun Yun, Zongkang Li, Xinwen Miao, Xiaoya Li, Jae Yoon Lee, Wenting Zhao und Seok Woo Lee, 13. März 2023, Nano Energy.DOI: 10.1016 /j.nanoen.2023.108344