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細菌造的電池 硬幣大小卻能精準調(diào)控神經(jīng)血壓
2025年06月11日 11:37:46
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：小王 點擊量：6148
近日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院定量合成生物學全國重點實驗室研究員鐘超團隊聯(lián)合中國科學院深圳先進技術(shù)研究院集成所神經(jīng)工程中心研究員劉志遠團隊、深圳大學博士王任衡團隊，成功用3D打印活體水凝膠技術(shù)，研制出了僅硬幣大小的微型便攜式微生物燃料電池。為該領(lǐng)域帶來重要突破。
植入式醫(yī)療設備的發(fā)展為醫(yī)療行業(yè)的進步提供了新的方向，在臨床醫(yī)學中，使用植入式醫(yī)療設備對患者進行治療以及醫(yī)療檢測，被認為是現(xiàn)代醫(yī)學的一次重要突破。然而現(xiàn)階段，植入式醫(yī)療設備仍處于發(fā)展初期，許多設備在性能或者實用性方面，還存在需要優(yōu)化的點。尤其是心臟起搏器、人工耳蝸、神經(jīng)刺激器等設備，由于需要在人體內(nèi)長期穩(wěn)定運行，并且依賴電池進行供電，因此很大程度上受限于電池性能本身。
近日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院定量合成生物學全國重點實驗室研究員鐘超團隊聯(lián)合中國科學院深圳先進技術(shù)研究院集成所神經(jīng)工程中心研究員劉志遠團隊、深圳大學博士王任衡團隊，成功用3D打印活體水凝膠技術(shù)，研制出了僅硬幣大小的微型便攜式微生物燃料電池。為該領(lǐng)域帶來重要突破。
利用電活性微生物構(gòu)建的生物電池具有優(yōu)越的環(huán)境適應性及生物兼容性，因此在生理環(huán)境監(jiān)測、組織整合、植入式設備供電等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，近幾年受到高度關(guān)注。但是該類電池功率密度普遍較低。因此，實現(xiàn)設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備的適用性。
而此次科研團隊研究的微型便攜式微生物燃料電池直徑僅20毫米、高度僅3.2毫米，在此基礎上創(chuàng)新性的整合了生物電刺激裝置，能夠通過刺激神經(jīng)元實現(xiàn)了對電生理和血壓的精準調(diào)節(jié)，為生物電子裝置的集成化和標準化發(fā)展奠定了理論和實踐基礎，也為后續(xù)可持續(xù)能源的開發(fā)與應用提供了創(chuàng)新性解決方案。
根據(jù)中科院深圳先進技術(shù)研究院公開的相關(guān)資料，研究人員在該新型燃料電池中融入了諸多“小心思”。
研究團隊將希瓦氏菌作為材料，由于希瓦氏菌本身被膜的儲能模量大于損耗模量，呈現(xiàn)出彈性固體狀水凝膠的特性，因此團隊將其開發(fā)為能夠進行3D打印的活體水凝膠材料。并通過將其封裝在10%的藻酸鹽水凝膠中，來確保其在生物裝置制造和后續(xù)使用過程中的活力。此外，為了加粘度，研究人員在還在水凝膠中添加了納米纖維素，并引入了0.05%的氧化石墨烯，賦予了材料更好的導電性與粘彈性。電池的陰極材料則是被裝在藻酸鹽水凝膠中的鐵氰化鉀。
研究人員利用活體水凝膠作為生物陽級墨水，含有鐵氰化鉀的海藻酸鹽水凝膠作為陰極墨水，全氟磺酸隔膜作為離子交換膜，最終構(gòu)建了直徑僅20毫米的微型便攜式微生物燃料電池。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。并且具備自充電能力。
性能測試表明，這種生物電池具備出色的循環(huán)穩(wěn)定性，并且安全性也高于傳統(tǒng)微型電池，并且已經(jīng)可以滿足低功耗設備的供電需求。
而未來，團隊將繼續(xù)在該領(lǐng)域?qū)で笮碌目赡埽瑖L試開發(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，實現(xiàn)醫(yī)療設備的自供能運行。還將通過優(yōu)化菌種選擇、改進材料配方和精細調(diào)控電池結(jié)構(gòu)等方式，進一步提升生物電池性能。
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