研究艺术图。
本报讯（记者刁雯蕙） 中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称深圳先进院）定量合成生物学全国重点实验室钟超团队联合深圳先进院集成所神经工程中心刘志远团队、深圳大学王任衡团队，利用3D打印活体水凝胶技术研制出直径仅20毫米的微型便携式微生物燃料电池，并创新性地整合了生物电刺激装置，通过刺激神经元实现了对电生理和血压的精准调节。近日，相关研究成果发表于《先进材料》。
微生物燃料电池是一种利用电活性微生物的代谢活动发电的新型生物能源装置，这种“活体电池”具备超强的环境适应性和良好的生物相容性，在生理监测、植入式医疗设备供电、可持续能源供应等方面具有重要作用。
研究团队基于希瓦氏菌，开发了一种具有独特弹性特征的3D打印活体水凝胶材料，能够形成各种一维到三维的复杂结构。为确保微生物在装置中保持活性，研究人员将处于溶液状态的微生物封装在藻酸盐水凝胶中，并通过添加纳米纤维素、氧化石墨烯，显著提升了材料的机械强度和导电性能。
受传统锂电池制造技术启发，研究团队以活体水凝胶作为“阳极”，含铁氰化钾的藻酸盐水凝胶作为“阴极”，通过3D打印技术制备出高性能电极结构，最终成功构建了直径仅20毫米的微型生物电池系统。
实验表明，该微型电池可稳定输出450毫伏电压，并能实现10次完整的“自充电-放电”供能循环。论文通讯作者钟超表示：“电池供能循环结束后，细菌存活率高达97%，且连续运行100小时后仍保持90%以上的高存活率，这充分证明了其优异的生物相容性。”
研究人员通过添加电容器，实现了电池电能的可控收集和释放，进而精准控制刺激的输出电压和电流。大鼠坐骨神经刺激实验结果显示，随着电池输出强度的梯度增加，诱发的动作电位和肌电信号幅度呈现明显增强。此外，对大鼠迷走神经施加电刺激，大鼠血压出现明显下降，刺激停止后，大鼠血压自主恢复基线水平。
相关论文信息：10.1002/adma.202419249
0 条