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生物電池也被稱為微生物燃料電池，是一種利用電活性微生物的代謝活動(dòng)來發(fā)電的新型生物能源裝置。這種“活體電池”具備超強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和良好的生物相容性，在生理監(jiān)測(cè)、植入式醫(yī)療設(shè)備供電、解決可持續(xù)能源供應(yīng)等方面發(fā)揮了重要作用。通過微型化和便攜化改造，微生物電池有望為智能手表、心臟起搏器等毫瓦級(jí)低功耗設(shè)備提供電力支持。

近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院（以下簡(jiǎn)稱深圳先進(jìn)院）定量合成生物學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鐘超團(tuán)隊(duì)聯(lián)合深圳先進(jìn)院集成所神經(jīng)工程中心劉志遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)、深圳大學(xué)王任衡團(tuán)隊(duì)在《先進(jìn)材料》上發(fā)表最新研究成果。他們利用3D打印活體水凝膠技術(shù)，成功研制出直徑僅20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(shí)現(xiàn)了對(duì)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。該研究推動(dòng)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。

跨學(xué)科開發(fā)可循環(huán)供能的生物電池

在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)基于希瓦氏菌，開發(fā)了一種創(chuàng)新的3D打印活體水凝膠材料，這種生物材料具有獨(dú)特的彈性特性，使其能夠通過3D打印技術(shù)形成包括精細(xì)的蜘蛛網(wǎng)狀、葉片狀等涵蓋一維到三維的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

為確保微生物在裝置中保持活性，研究人員首先將處于溶液狀態(tài)的微生物封裝在藻酸鹽水凝膠中，并通過添加納米纖維素、氧化石墨烯對(duì)體系進(jìn)行優(yōu)化，顯著提升了材料的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性能。

設(shè)計(jì)并制作生物電池需要融合多學(xué)科知識(shí)，涉及合成生物學(xué)、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。在深圳先進(jìn)院，跨學(xué)科合作具有天然優(yōu)勢(shì)，鐘超團(tuán)隊(duì)基于突破性材料，與深圳先進(jìn)院集成所神經(jīng)工程中心研究員劉志遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)合作，共同開發(fā)微型生物電池系統(tǒng)。

受傳統(tǒng)鋰電池制造技術(shù)啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)采用陰陽極分離的優(yōu)化設(shè)計(jì)：以活體水凝膠作為“陽極”，含鐵氰化鉀的藻酸鹽水凝膠作為“陰極”，通過3D打印技術(shù)制備出高性能電極結(jié)構(gòu)，最終成功構(gòu)建了直徑僅20毫米的微型生物電池系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這塊微型電池可穩(wěn)定輸出450毫伏電壓，并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)10次完整的“自充電—放電”的供能循環(huán)。

文章通訊作者鐘超研究員表示：“電池供能循環(huán)結(jié)束后，細(xì)菌存活率高達(dá)97%，且連續(xù)運(yùn)行100小時(shí)后仍保持90%以上的高存活率，這充分證明了其優(yōu)異的生物相容性?！?/p>

進(jìn)一步的性能測(cè)試表明，生物電池具有出色的循環(huán)穩(wěn)定性，能量損失極低，同時(shí)完全避免了傳統(tǒng)電池中鈷、鋰等稀缺金屬以及有毒電解質(zhì)的使用，在環(huán)保方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。盡管其當(dāng)前能量密度（0.008瓦時(shí)每升）和功率密度（8.31微瓦每平方厘米）較商業(yè)鋰離子電池仍有差距，但已基本滿足低功耗設(shè)備的供電需求。

實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)血壓調(diào)控

“研究需要突破‘紙面創(chuàng)新’，同時(shí)要找到切實(shí)可行的應(yīng)用場(chǎng)景?！毖芯空撐牡谝蛔髡咄跣掠罱榻B，盡管生物電池的技術(shù)概念新穎，但存在功率和輸出電壓波動(dòng)（受細(xì)菌活性影響）兩大局限，使得生物電池難以勝任需要持續(xù)穩(wěn)定供電的場(chǎng)景。

基于這些特性，團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)了瞬時(shí)神經(jīng)刺激這一精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域——通過集成電容器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電能的精準(zhǔn)調(diào)控，成功開發(fā)出適用于神經(jīng)調(diào)控的生物電池應(yīng)用方案。

大鼠坐骨神經(jīng)刺激實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著生物電池輸出強(qiáng)度的梯度增加，誘發(fā)的動(dòng)作電位和肌電信號(hào)幅度呈現(xiàn)顯著劑量依賴性增強(qiáng)。

此外，通過調(diào)節(jié)生物電池的輸出，大鼠血壓成功出現(xiàn)明顯下降，收縮壓（高壓）降低23.5%，舒張壓（低壓）降低18.7%。刺激停止后，大鼠血壓自主恢復(fù)基線水平。

這些數(shù)據(jù)不僅驗(yàn)證了生物電池在神經(jīng)干預(yù)治療中的有效性，更揭示其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)——細(xì)菌代謝的自然波動(dòng)特性反而與瞬時(shí)神經(jīng)刺激的需求高度契合，為高血壓等疾病的精準(zhǔn)神經(jīng)調(diào)控提供了創(chuàng)新解決方案。

王新宇介紹，團(tuán)隊(duì)未來計(jì)劃開發(fā)基于活體水凝膠的植入式生物電池，利用人體血糖作為持續(xù)能源，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備的自供能運(yùn)行。這項(xiàng)研究不僅體現(xiàn)了合成生物學(xué)與材料科學(xué)的交叉創(chuàng)新，也為發(fā)展環(huán)境友好的可持續(xù)能源技術(shù)提供了新思路，在醫(yī)療植入設(shè)備和環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用前景。

未來，研究團(tuán)隊(duì)將通過優(yōu)化菌種選擇、改進(jìn)材料配方和精細(xì)調(diào)控電池結(jié)構(gòu)，提升生物電池性能，推動(dòng)該技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化。