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(lái)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。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行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(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員鐘超團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所神經(jīng)工程中心研究員劉志遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)、深圳大學(xué)博士王任衡團(tuán)隊(duì)，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。這一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(guò)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。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》上。

生物電池性能優(yōu)異

在此次研究中，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，借助3D打印技術(shù)，研究人員能夠利用其構(gòu)建出從一維到三維的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包括精細(xì)的蜘蛛網(wǎng)狀、葉片狀等結(jié)構(gòu)。

為了讓微生物在裝置內(nèi)始終保持活性，研究人員精心設(shè)計(jì)了一套方案。他們先將處于溶液狀態(tài)的微生物封裝于藻酸鹽水凝膠之中，隨后向凝膠中又添加了納米纖維素、氧化石墨烯。這一舉措成效顯著，材料的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性能均得到了大幅提升。

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(yáng)極分離的優(yōu)化設(shè)計(jì)：以活體水凝膠作為陽(yáng)極，含亞鐵氰化鉀的藻酸鹽水凝膠作為陰極，通過(guò)3D打印技術(shù)制備出高性能電極結(jié)構(gòu)，最終成功構(gòu)建了一個(gè)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，并可以完成長(zhǎng)達(dá)10次完整的“自充電—放電”供能循環(huán)。

鐘超介紹：“在電池完成供能循環(huán)結(jié)束后，細(xì)菌存活率高達(dá)97%。即便連續(xù)運(yùn)行100小時(shí)，細(xì)菌仍能保持90%以上的高存活率，這充分彰顯了電池優(yōu)異的生物相容性。”

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)。盡管目前其能量密度為0.008瓦時(shí)每升、功率密度為8.31微瓦每平方厘米，與商業(yè)鋰離子電池相比仍存在一定差距，但已基本能夠滿足低功耗設(shè)備的供電需求。

瞄準(zhǔn)瞬時(shí)刺激新場(chǎng)景

“研究需要突破‘紙面創(chuàng)新’，找到切實(shí)可行的應(yīng)用場(chǎng)景。”研究論文第一作者王新宇介紹，盡管生物電池的技術(shù)概念新穎，但受細(xì)菌活性等因素的制約，生物電池在需要持續(xù)穩(wěn)定供電的場(chǎng)景中難以發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，這成為其廣泛應(yīng)用的一大阻礙。

基于生物電池的這些特性，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。他們通過(guò)集成電容器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能的精準(zhǔn)調(diào)控，成功開發(fā)出一套適用于神經(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(guò)調(diào)節(jié)生物電池的輸出，大鼠的血壓也出現(xiàn)明顯下降，收縮壓降低23.5%，舒張壓降低18.7%。當(dāng)刺激停止后，大鼠的血壓自主恢復(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，更揭示了其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)——細(xì)菌代謝的自然波動(dòng)特性與瞬時(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(lái)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。這一研究不僅體現(xiàn)了合成生物學(xué)與材料科學(xué)的交叉創(chuàng)新，也為環(huán)境友好的可持續(xù)能源技術(shù)的發(fā)展提供了新思路，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(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將通過(guò)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)等方式，進(jìn)一步提升生物電池性能，推動(dòng)該技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化。（記者 羅云鵬 通訊員 朱詩(shī)穎）