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Advanced Materials 封面文章 | 開(kāi)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(cè)、組織整合、植入式設(shè)備供電等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，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(qiáng)NAD?的生物合成、引入納米材料或?qū)щ娋酆衔镆栽鰪?qiáng)導(dǎo)電性能、設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)勞動(dòng)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(jí)用電設(shè)備的需求。因此，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的微型化和便攜性，能夠推動(dòng)該技術(shù)對(duì)于毫瓦級(jí)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(jìn)展，但開(kāi)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(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、合成生物學(xué)研究所材料合成生物學(xué)研究中心鐘超團(tuán)隊(duì)聯(lián)合先進(jìn)集成技術(shù)研究所神經(jīng)工程研究中心劉志遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)、深圳大學(xué)王任衡團(tuán)隊(duì)，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(kāi)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(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（圖1）。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。
希瓦氏菌生物被膜的儲(chǔ)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(jìn)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(diǎn)陣列，甚至一個(gè)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(chǎng)所，研究進(jìn)一步將其封裝在藻酸鹽水凝膠中，確保細(xì)菌細(xì)胞在生物裝置制造和后續(xù)使用過(guò)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(chǔ)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(shí)，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(jìn)而在水凝膠中引入了0.05%的氧化石墨烯，不僅增強(qiáng)了導(dǎo)電性，同時(shí)還提升了粘彈性。包含希瓦氏菌的活體水凝膠可以作為陽(yáng)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(yáng)極生物墨水和陰極墨水裝入單獨(dú)的墨盒中，可打印出叉指電極，展示了定制化和自動(dòng)化制造的潛力。
活/死檢測(cè)結(jié)果展示，細(xì)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(lái)看，C1s XPS光譜顯示，與GO對(duì)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(qiáng)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(qiáng)度比（ID/IG）在約3天時(shí)達(dá)到平臺(tái)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(duì)S.?oneidensis?MR-1的生長(zhǎng)沒(méi)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(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，細(xì)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(yáng)級(jí)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(xì)菌的代謝活動(dòng)，在細(xì)菌生長(zhǎng)10小時(shí)后，生物電池能夠達(dá)到450毫伏的電壓。該生物電池可以進(jìn)行自充電，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)10次的自充電-放電循環(huán)。在整個(gè)循環(huán)中，細(xì)菌維持了超過(guò)70%的高存活率，在循環(huán)結(jié)束時(shí)存活率更是高達(dá)97%，這充分證明細(xì)菌在電池內(nèi)部仍然保持著生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)。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(xì)菌在連續(xù)運(yùn)行100小時(shí)后，也保持了超過(guò)90%的高存活率。
另外，本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的生物電池也可以作為贗電池進(jìn)行充放電，在50個(gè)循環(huán)中都保持了99.5%以上的庫(kù)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(zhǎng)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(jī)電解質(zhì)和六氟磷酸鹽），為可持續(xù)能源戰(zhàn)略進(jìn)行了技術(shù)儲(chǔ)備。
本項(xiàng)目進(jìn)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(guò)添加電容器，實(shí)現(xiàn)了生物電池電能的可控收集和釋放，進(jìn)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(cè)其神經(jīng)信號(hào)和肌電信號(hào)的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著刺激強(qiáng)度的增加，誘發(fā)的神經(jīng)動(dòng)作電位和肌內(nèi)肌電信號(hào)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(jìn)生物體的恢復(fù)和治療方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。此外，研究人員將可控電刺激電路的輸出端通過(guò)電極連接到大鼠的迷走神經(jīng)上，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)迷走神經(jīng)施加電刺激后，大鼠血壓表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)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(jī)制逐漸呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，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(dòng)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(duì)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(guò)生物電池對(duì)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(xiàng)目闡明了3D限域微環(huán)境對(duì)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(shí)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(lái)可持續(xù)能源的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供了創(chuàng)新性解決方案。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)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(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所研究員鐘超、先進(jìn)集成技術(shù)研究所研究員劉志遠(yuǎn)，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(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院先進(jìn)集成技術(shù)研究所劉志遠(yuǎn)課題組副研究員韓飛、高級(jí)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(guó)開(kāi)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(jiàn)。
該研究成果獲得科技部合成生物學(xué)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市材料合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深圳市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)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
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