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Scientific Reports volume 12, Artigo número: 14649 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Neste estudo, o desempenho de uma célula de biocombustível impressa em papel com eletrodos de carbono mesoporosos modelados em MgO (MgOC) foi melhorado em duas etapas. Primeiro, uma pequena quantidade de carboximetilcelulose (CMC) foi adicionada à tinta MgOC. Em seguida, o cátodo foi modificado com bilirrubina antes da imobilização da bilirrubina oxidase (BOD). O CMC aumentou a acessibilidade dos mesoporos do MgOC e, posteriormente, o desempenho do bioanodo e do biocátodo. O CMC provavelmente também aumentou a estabilidade dos eletrodos. A pré-modificação com bilirrubina melhorou a orientação da DBO, o que facilitou a transferência direta de elétrons. Com essas duas etapas, um potencial de circuito aberto de 0,65 V, uma densidade de corrente máxima de 1,94 mA cm-2 e uma densidade de potência máxima de 465 μW cm-2 foram alcançados com lactato oxidase como enzima bioanodo e lactato como combustível. Este é um dos desempenhos mais elevados relatados para uma célula de biocombustível.

Materiais de carbono mesoporosos são um dos materiais mais atraentes para a fabricação de dispositivos bioeletroquímicos, como biossensores e células de biocombustível . Esses materiais combinam alta condutividade, alta área superficial e excelente biocompatibilidade, são excelentes para eletrodos e matrizes para imobilização de enzimas. Yang et al. relataram aumento da temperatura e estabilidade do pH quando a glicose oxidase foi imobilizada em carbono mesoporoso ordenado . Entre os diferentes tipos de materiais de carbono mesoporosos estão os carbonos modelados por óxido. O tamanho dos poros dos carbonos modelados por óxido pode ser controlado controlando o tamanho do modelo de óxido . Um desses carbonos modelados por óxido é o carbono modelado por MgO (MgOC), que está disponível comercialmente . O efeito do tamanho dos poros do MgOC na eletroquímica direta foi investigado para D-frutose desidrogenase10 e bilirrubina oxidase (BOD)11,12. Além disso, células de biocombustível (BFCs) fabricadas com tecido de carbono modificado com tinta MgOC tiveram uma produção de alta potência de 2 mW cm-213 e 4,3 mW cm-214 com glicose desidrogenase (GDH) e lactato oxidase (LOx) como enzimas, respectivamente.

Uma tinta MgOC também é o primeiro passo na fabricação de um eletrodo MgOC impresso em tela. O material condutor de carbono nas tintas de serigrafia precisa ser disperso uniformemente sob tensão de cisalhamento aplicada durante a impressão. Uma dispersão irregular pode levar a um eletrodo parcialmente quebradiço (onde há muito pouco aglutinante presente) e/ou uma resistência parcialmente aumentada (onde há muito aglutinante presente). Uma dispersão mais elevada também pode levar a um maior grau de porosidade, uma vez que a aglomeração se torna menos provável. Pequenas quantidades de aditivos podem melhorar a dispersão da tinta sem interferir na condutividade e, portanto, na qualidade e reprodutibilidade do eletrodo impresso. No entanto, embora materiais biocompatíveis e sustentáveis, como a carboximetilcelulose (CMC), tenham sido utilizados como dispersantes para materiais de carbono15, os dispersantes não foram considerados para tintas MgOC para serigrafia.

Eletrodos serigrafados são promissores para a fabricação de biossensores vestíveis, especialmente para aplicações em saúde16,17,18. Os biossensores vestíveis estão recebendo atenção significativa nos últimos anos devido à tendência de um gerenciamento de saúde dos pacientes mais personalizado e em tempo real, bem como a um monitoramento mais próximo e mais baseado em dados da condição física de profissionais de alto desempenho, como atletas e bombeiros. Da mesma forma, os BFCs vestíveis também estão recebendo atenção considerável, tanto como coletores de energia quanto como sensores autoalimentados19,20,21,22. Como coletores de energia, os BFCs vestíveis coletam energia da glicose ou do lactato contido nos fluidos corporais para alimentar pequenos dispositivos. Os BFCs vestíveis como sensores autoalimentados utilizam o fato de que a energia coletada da glicose ou do lactato a qualquer momento depende da concentração do respectivo combustível. Sensores autoalimentados não requerem uma fonte de energia para o dispositivo sensor. Alguns exemplos de biossensores vestíveis e BFCs são integrados à almofada nasal dos óculos23, microfluídicos fabricados a partir de um material macio24,25, fabricados em filme fino e flexível25,26, tipo tatuagem27, à base de tecido28,29 e à base de papel30,31 ,32.