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Nov 06, 2023

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Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14649 (2022) Citare questo articolo

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In questo studio, le prestazioni di una cella a biocarburante a base di carta e serigrafata con elettrodi di carbonio mesoporosi con modello MgO (MgOC) sono state migliorate in due fasi. Innanzitutto, all'inchiostro MgOC è stata aggiunta una piccola quantità di carbossimetilcellulosa (CMC). Successivamente, il catodo è stato modificato con bilirubina prima di immobilizzare la bilirubina ossidasi (BOD). La CMC ha aumentato l'accessibilità dei mesopori del MgOC e, successivamente, le prestazioni sia del bioanodo che del biocatodo. Probabilmente la CMC ha anche aumentato la stabilità degli elettrodi. La pre-modifica con bilirubina ha migliorato l'orientamento del BOD, facilitando il trasferimento diretto degli elettroni. Con questi due passaggi, è stato ottenuto un potenziale a circuito aperto di 0,65 V, una densità di corrente massima di 1,94 mA cm−2 e una densità di potenza massima di 465 μW cm−2 con la lattato ossidasi come enzima bioanodo e il lattato come combustibile. Questa è una delle prestazioni più elevate riportate per una cella a biocarburante.

I materiali di carbonio mesoporosi sono uno dei materiali più interessanti per la fabbricazione di dispositivi bioelettrochimici come biosensori e celle a biocarburante1,2,3. Questi materiali combinano alta conduttività, elevata area superficiale ed eccellente biocompatibilità, sono eccellenti per elettrodi e matrici per l'immobilizzazione di enzimi. Yang et al. hanno riportato un aumento della temperatura e della stabilità del pH quando la glucosio ossidasi veniva immobilizzata sul carbonio mesoporoso ordinato4. Tra i diversi tipi di materiali di carbonio mesoporosi ci sono i carboni a struttura di ossido. La dimensione dei pori dei carboni con modello di ossido può essere controllata controllando la dimensione del modello di ossido5,6,7,8,9. Uno di questi carboni con modello di ossido è il carbonio con modello MgO (MgOC), disponibile in commercio5,6. L'effetto della dimensione dei pori del MgOC sull'elettrochimica diretta è stato studiato per la D-fruttosio deidrogenasi10 e la bilirubina ossidasi (BOD)11,12. Inoltre, le celle a biocarburante (BFC) fabbricate con tessuto di carbonio modificato con inchiostro MgOC avevano una potenza elevata di 2 mW cm-213 e 4,3 mW cm-214 con glucosio deidrogenasi (GDH) e lattato ossidasi (LOx) come enzimi, rispettivamente.

Un inchiostro MgOC è anche il primo passo nella fabbricazione di un elettrodo MgOC serigrafato. Il materiale conduttivo di carbonio negli inchiostri serigrafici deve essere disperso uniformemente sotto lo stress di taglio applicato durante la stampa. Una dispersione non uniforme potrebbe portare ad un elettrodo parzialmente fragile (dove è presente troppo poco legante) e/o ad una resistenza parzialmente aumentata (dove è presente troppo legante). Una maggiore dispersione può anche portare ad un grado più elevato di porosità, poiché la formazione di grumi diventa meno probabile. Piccole quantità di additivi possono migliorare la dispersione dell'inchiostro senza interferire con la conduttività, e quindi con la qualità e la riproducibilità dell'elettrodo stampato. Tuttavia, sebbene materiali biocompatibili e sostenibili, come la carbossimetilcellulosa (CMC), siano stati utilizzati come disperdenti per i materiali in carbonio15, i disperdenti non sono stati presi in considerazione per gli inchiostri MgOC per la serigrafia.

Gli elettrodi serigrafati sono promettenti per la fabbricazione di biosensori indossabili, in particolare per applicazioni sanitarie16,17,18. Negli ultimi anni i biosensori indossabili hanno ricevuto un'attenzione significativa a causa della tendenza verso una gestione sanitaria dei pazienti più personalizzata e in tempo reale, nonché a un monitoraggio più attento e basato sui dati delle condizioni fisiche dei professionisti ad alte prestazioni, come gli atleti e vigili del fuoco. Allo stesso modo, anche i BFC indossabili stanno ricevendo notevole attenzione, sia come raccoglitori di energia che come sensori autoalimentati19,20,21,22. Come raccoglitori di energia, i BFC indossabili raccolgono energia dal glucosio o dal lattato contenuto nei fluidi corporei per alimentare piccoli dispositivi. I BFC indossabili come sensori autoalimentati sfruttano il fatto che la potenza raccolta dal glucosio o dal lattato in qualsiasi momento dipende dalla concentrazione del rispettivo carburante. I sensori autoalimentati non richiedono una fonte di energia per il dispositivo di rilevamento. Alcuni esempi di biosensori indossabili e BFC sono integrati nel nasello degli occhiali23, microfluidica fabbricata con un materiale morbido24,25, fabbricata su pellicola flessibile sottile25,26, di tipo tatuaggio27, a base tessile28,29 e a base di carta30,31 ,32.