SIAT新聞網(wǎng)
Advanced Materials 封面文章 | 開發(fā)3D打印活體水凝膠微型便攜式生物電池用于精準(zhǔn)神經(jīng)刺激
利用電活性微生物構(gòu)建的生物電池憑借其優(yōu)越的環(huán)境適應(yīng)性及生物兼容性，在生理環(huán)境監(jiān)測、組織整合、植入式設(shè)備供電等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，為可持續(xù)電源供應(yīng)提供了創(chuàng)新性方案。
為了提升生物電池的功率輸出，前期研究人員探索了多種優(yōu)化策略，包括重定向代謝通量以增強NAD?的生物合成、引入納米材料或?qū)щ娋酆衔镆栽鰪妼?dǎo)電性能、設(shè)計3D電極以增加生物被膜負(fù)載和光利用率，以及構(gòu)建微生物群落以實現(xiàn)勞動分工等等。然而，現(xiàn)有生物電池的功率密度普遍較低，仍難以滿足家庭或工業(yè)級用電設(shè)備的需求。因此，實現(xiàn)設(shè)備的微型化和便攜性，能夠推動該技術(shù)對于毫瓦級能量需求設(shè)備（如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備或植入式應(yīng)用）的適用性。盡管納升水凝膠液滴制造、微流控技術(shù)、折疊紙電池技術(shù)等微型化技術(shù)已取得了一定進展，但開發(fā)能夠兼容現(xiàn)有設(shè)備的微型便攜式生物電池仍然面臨多重挑戰(zhàn)。
近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點實驗室、合成生物學(xué)研究所材料合成生物學(xué)研究中心鐘超團隊聯(lián)合先進集成技術(shù)研究所神經(jīng)工程研究中心劉志遠團隊、深圳大學(xué)王任衡團隊，在Advanced Materials期刊發(fā)表了題為“3-D Printable Living Hydrogels as Portable Bio-energy Devices”的文章，并入選該刊第21期內(nèi)封面文章。研究開發(fā)了直徑20毫米、高度3.2毫米的微型便攜式微生物燃料電池，創(chuàng)新性地整合了生物電刺激裝置，通過刺激神經(jīng)元實現(xiàn)了對電生理和血壓的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，在疾病治療方面有較大應(yīng)用潛力（圖1）。該研究推動了便攜式生物器件的發(fā)展，拓展了活體能源材料的研究前沿。
希瓦氏菌生物被膜的儲能模量（G′）大于損耗模量（G′′），呈現(xiàn)出彈性固體狀水凝膠的特性，使其能夠進行3D打?。▓D2）。研究人員成功打印出多種定制形狀和幾何圖形，涵蓋一維到三維，如蜘蛛網(wǎng)、大面積網(wǎng)、葉子、點陣列，甚至一個1厘米高的三維金字塔。3D環(huán)境為生物體系的功能發(fā)揮提供了良好的場所，研究進一步將其封裝在藻酸鹽水凝膠中，確保細菌細胞在生物裝置制造和后續(xù)使用過程中的活力。10%的藻酸鹽水凝膠表現(xiàn)出粘性液體狀特性，其損耗模量（G′′）高于儲能模量（G′）。為了增加粘度，研究人員在水凝膠中添加了納米纖維素，當(dāng)納米纖維素含量從10%增加到30%時，水凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥怨腆w膠?？紤]到生物能源裝置的制備，研究人員進而在水凝膠中引入了0.05%的氧化石墨烯，不僅增強了導(dǎo)電性，同時還提升了粘彈性。包含希瓦氏菌的活體水凝膠可以作為陽極材料，另外將K?[Fe(CN)?]封裝在藻酸鹽水凝膠中可以作為陰極材料。為了展示生物能源裝置的潛力，將陽極生物墨水和陰極墨水裝入單獨的墨盒中，可打印出叉指電極，展示了定制化和自動化制造的潛力。
活/死檢測結(jié)果展示，細菌在水凝膠中仍然可以保持活性，并可將氧化石墨烯（GO）還原為還原氧化石墨烯（rGO）（圖3）。具體來看，C1s XPS光譜顯示，與GO對照樣品相比，MR-1 rGO樣品中C-C/C=C鍵的百分比顯著增加（從27.6%增加到48.6%），而C-O/C=O鍵的百分比相應(yīng)減少（從72.4%減少到51.5%），這表明含氧C鍵顯著減少。拉曼光譜中D峰和G峰的強度比（ID/IG）與sp2共軛區(qū)域成反比，該比值從0.98增加到1.2，為GO的成功還原提供了有力證據(jù)；并且，強度比（ID/IG）在約3天時達到平臺期，這意味著水凝膠中的GO已完全還原。此外，水凝膠中的GO對S.?oneidensis?MR-1的生長沒有顯著影響，在濃度范圍為0.5 mg/mL至5 mg/mL的GO條件下，均未觀察到抑菌圈的形成。在整個培養(yǎng)過程中，細菌的存活率保持在80%以上，充分表明其代謝活性得以保存。拉曼成像圖案顯示出GO還原在水凝膠中的均一性。
受鋰離子電池制造技術(shù)啟發(fā)，研究人員利用活體水凝膠作為生物陽級墨水，含有K?[Fe(CN)?]的海藻酸鹽水凝膠作為陰極墨水，Nafion膜作為離子交換膜，制備出直徑20毫米、高度3.2毫米的微型生物電池（圖4）。該電池的發(fā)電源于水凝膠內(nèi)細菌的代謝活動，在細菌生長10小時后，生物電池能夠達到450毫伏的電壓。該生物電池可以進行自充電，實現(xiàn)長達10次的自充電-放電循環(huán)。在整個循環(huán)中，細菌維持了超過70%的高存活率，在循環(huán)結(jié)束時存活率更是高達97%，這充分證明細菌在電池內(nèi)部仍然保持著生長和代謝活動。生物電池的電壓隨著陰極中K?[Fe(CN)?]濃度的增加而升高。同樣，細菌在連續(xù)運行100小時后，也保持了超過90%的高存活率。
另外，本項目開發(fā)的生物電池也可以作為贗電池進行充放電，在50個循環(huán)中都保持了99.5%以上的庫倫效率，展現(xiàn)出極低的能量損失、卓越的穩(wěn)定性能以及更長的使用壽命。該生物電池的比容量為0.4 mAh g?1，最大功率密度約為8.31 μW cm?2，能量密度為0.008 Wh/L。盡管與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，生物電池的能量密度和功率輸出較低，但它避免了使用關(guān)鍵原材料（如鈷和鋰）和環(huán)境有害成分（如錳、有機電解質(zhì)和六氟磷酸鹽），為可持續(xù)能源戰(zhàn)略進行了技術(shù)儲備。
本項目進一步探究了生物電池在神經(jīng)刺激方面的應(yīng)用（圖5），以期在疾病治療領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。研究人員通過添加電容器，實現(xiàn)了生物電池電能的可控收集和釋放，進而能夠精準(zhǔn)控制刺激的輸出電壓和電流。在刺激坐骨神經(jīng)并監(jiān)測其神經(jīng)信號和肌電信號的實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著刺激強度的增加，誘發(fā)的神經(jīng)動作電位和肌內(nèi)肌電信號的幅度逐漸增大。這種誘發(fā)電位的獲取在電刺激干預(yù)和促進生物體的恢復(fù)和治療方面具有重要應(yīng)用價值。此外，研究人員將可控電刺激電路的輸出端通過電極連接到大鼠的迷走神經(jīng)上，成功實現(xiàn)了對大鼠血壓的調(diào)節(jié)。在刺激前，大鼠的血壓保持在基線水平；對迷走神經(jīng)施加電刺激后，大鼠血壓表現(xiàn)出統(tǒng)計學(xué)上顯著的降低（p<0.01）。這種干預(yù)方法與現(xiàn)有的超聲干預(yù)等物理治療方法具有相似的效果。停止刺激后，大鼠的血壓由于其內(nèi)在血壓調(diào)節(jié)機制逐漸呈現(xiàn)上升趨勢，接近基線水平。在刺激期間，收縮壓、舒張壓、脈壓、心率和平均動脈壓與刺激前水平相比，均出現(xiàn)了顯著降低（p<0.01），這主要源于迷走神經(jīng)對心血管功能的抑制作用。
研究利用活體水凝膠成功制備出微型便攜式生物電池，通過生物電池對神經(jīng)刺激的調(diào)控，探索了其在疾病治療領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。本項目闡明了3D限域微環(huán)境對微生物代謝活性與能量輸出效率的協(xié)同調(diào)控規(guī)律，為生物電子裝置的集成化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展奠定了理論和實踐基礎(chǔ)，不僅拓寬了材料合成生物學(xué)的領(lǐng)域前沿，未來可持續(xù)能源的開發(fā)與應(yīng)用提供了創(chuàng)新性解決方案。
中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所鐘超課題組副研究員王新宇為論文第一作者和共同通訊作者。中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所研究員鐘超、先進集成技術(shù)研究所研究員劉志遠，深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院教授王任衡為該論文的共同通訊作者。中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院先進集成技術(shù)研究所劉志遠課題組副研究員韓飛、高級工程師周小猛，深圳大學(xué)博士生肖哲為論文共同第一作者。德國開姆尼茨工業(yè)大學(xué)研究員朱旻棽也為本論文提供了寶貴意見。
該研究成果獲得科技部合成生物學(xué)重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、深圳市材料合成生物學(xué)重點實驗室、深圳市自然科學(xué)基金重點項目、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等的資助。
文章上線截圖
圖1. 微型便攜式生物電池創(chuàng)制和生物電刺激應(yīng)用示意圖
圖2. 3-D打印活體水凝膠
圖3. 活體水凝膠的性能表征
圖4. 生物電池的制備和性能表征
圖5. 生物電池用于神經(jīng)刺激
附件下載：
