Direct electron transfer based biofuel cells : operation in vitro and in vivo

Malmö University Health and Society Doctoral Dissertation, 2014:1. English abstract The focus of this thesis is the development and design of direct electron transfer based enzymatic fuel cells, with the possible use in biomedical applications. For biodevice fabrication, macro- and micro-scaled nanostructured gold electrodes were fabricated and characterized in detail, employing electrochemical techniques, as well as atomic force microscopy and scanning electron microscopy. The nanostructured electrodes were utilized together with suitable (bio)catalysts to achieve efficient catalysis of suitable biofuel and biooxidant. Oxygen was utilized as biooxidant, employing the enzyme bilirubin oxidase together with nanostructured electrodes to achieve efficient bioelectrocatalysis. The mechanism of bioelectrocatalytic reduction of oxygen by bilirubin oxidase was investigated in detail utilizing electrochemical techniques combined with quantum mechanic/molecular mechanic modeling. Carbohydrates were utilized as the main biofuel in most of the studies, by employing cellobiose dehydrogenase immobilized on nanostructured electrodes. Additionally, tetracyanoquinodimethane and tetrathiafulvalene were employed as efficient catalysts of ascorbate. The performance of assembled enzymatic fuel cells were in-vestigated in vitro in complex buffers and human physiological fluids, as well as in vivo evaluated using different electrochemical techniques. Swedish abstract I vår moderna värd är vi väldigt beroende av elektrisk energi som vi använder för det mesta i får vardag: för att lysa upp våra hus, generera värme, driva våra datorer och mobiltelefoner och mycket mer. Produktion av elektrisk energi har dock ofta en negativ på-verkan på vår miljö. Ett alternativt sätt att producera elektrik energi är att använda sig av bränsleceller, vilka kan liknas vid öppna batterier som ständigt kan förses med nytt bränsle och således inte behöver bytas ut efter ett tag. Bränslet som används kan väljas så att dess förbrukning inte innebär någon negativ påverkan på miljön. Den här avhandlingen fokuserar sig på en viss typ av bränsleceller, där man använder sig av specifika proteiner, enzymer, för att omvandla energi från bränslet till elektrisk energi. Som bränsle kan vanligt förekommande kolhydrater, dvs. socker, samt syre användas. Socker och syre används även av vår kropp för att skapa energi, och genom att använda sig av rätt sorts enzymer kan även bränsleceller använda sig av dessa ämnen för att producera elektrisk energi. Således är det möjligt för dessa bränsleceller att producera elektrisk energi placerade inuti oss. Dessa biobränsleceller kan sedan användas för att driva t.ex. olika sensorer direkt i vår kropp som kontinuerligt skulle kunna ge information till sjukvården, utan att använda sig av batterier som behöver bytas ut. Avhandlingen är baserad på att undersöka hur olika bränsleceller som använder sig av enzym fungerar samt att testa dem i olika mänskliga kroppsvätskor samt även inuti levande organismer. Genom att öka förståelsen för detta är förhoppningen att bränsleceller baserade på enzym inom en inte allt för avlägsen framtid kan finna tillämpningar som elektriska försörjare för t.ex. självförsörjande biomedicinska sensorer.