新型植入式酶燃料電池：無(wú)懼彎折拉伸 將汗水化為電能

  團(tuán)隊(duì)通過(guò)靜電紡絲法制備生物相容性優(yōu)異的熱塑性聚氨酯橡膠(TPU)纖維，將其紡織成柔性可拉伸基底，并將共價(jià)結(jié)合的碳納米管和葡萄糖氧化酶混合物泵入TPU柔性基底的表面和內(nèi)部，構(gòu)建酶燃料電池生物陽(yáng)極，用來(lái)催化體液中的葡萄糖。

  5月16日，科技日?qǐng)?bào)記者從重慶大學(xué)獲悉，能源與動(dòng)力工程學(xué)院廖強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)和重慶醫(yī)科大學(xué)戴紅衛(wèi)教授團(tuán)隊(duì)合作采用靜電紡絲技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種植入式酶燃料電池。該電池在大鼠體內(nèi)可經(jīng)受拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎折等柔性工況，并可穩(wěn)定供能超過(guò)一周。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《先進(jìn)功能材料》上。

  彎折拉伸可降低酶燃料電池功率和壽命

  酶燃料電池是一種以酶為催化劑，將人體體液中有機(jī)物儲(chǔ)存的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電裝置，是一種極具應(yīng)用前景的可穿戴、可植入生物電源技術(shù)。

  酶燃料電池是這樣工作的——含生物可降解有機(jī)物的汗液、尿液等人體體液流過(guò)生物電極發(fā)生生物電催化反應(yīng)產(chǎn)生代謝物、電子、氫離子等;代謝物、氫離子在生物電極內(nèi)沿著與體液有機(jī)物擴(kuò)散相反的方向傳遞，電子則通過(guò)外電路到達(dá)陰極形成生物電流，與通過(guò)自然對(duì)流或溶解在體液中的氧氣、氫離子反應(yīng)生成水，最終形成閉合回路。

  相比于其他微納供能體系，酶燃料電池具有催化劑可再生、工作條件溫和、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)榈凸目纱┐?、可植入健康監(jiān)測(cè)設(shè)備長(zhǎng)期、穩(wěn)定供電。

  “對(duì)酶燃料電池的柔性化與全面生物相容性的評(píng)估是實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的前提。”團(tuán)隊(duì)成員、重慶大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院副教授楊揚(yáng)介紹，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究忽視了酶燃料電池會(huì)處在瞬間或反復(fù)作用的彎折、扭轉(zhuǎn)、拉伸等柔性環(huán)境。在此環(huán)境下，電池的實(shí)際功率和能量密度低于非柔性狀態(tài)，更重要的是電池功率輸出波動(dòng)加劇，壽命縮短。此外，在人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使電池與人體組織力學(xué)性能失配，這會(huì)引起組織損傷和感染等問(wèn)題。因此，他們希望設(shè)計(jì)一種生物相容性好、可拉伸、柔性的綠色生物電源裝置。

  賦予植入式酶燃料電池更大柔性更高強(qiáng)度

  楊揚(yáng)介紹，他們通過(guò)靜電紡絲法制備生物相容性優(yōu)異的熱塑性聚氨酯橡膠(TPU)纖維，將其紡織成柔性可拉伸基底，并將共價(jià)結(jié)合的碳納米管和葡萄糖氧化酶混合物泵入TPU柔性基底的表面和內(nèi)部，構(gòu)建酶燃料電池生物陽(yáng)極，用來(lái)催化體液中的葡萄糖。這種生物電極結(jié)構(gòu)不僅可以緩解彎折、扭轉(zhuǎn)、拉伸帶來(lái)的急劇性能衰減，而且能在電池工作過(guò)程中為酶催化劑提供良好的催化微環(huán)境。

  單個(gè)植入式酶燃料電池裝置中的電極采用緊湊的平面布置方式，電池大小僅為兩平方厘米，厚度不到200微米。該電池拉伸強(qiáng)度可達(dá)5.7兆帕，最大應(yīng)變可達(dá)557.3%，滿足植入人體皮下的機(jī)械匹配需求，并且在反復(fù)拉伸和長(zhǎng)時(shí)間放置條件下依然表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)將該電池植入到大鼠皮下，在一周內(nèi)電池的開(kāi)路電壓穩(wěn)定在0.45伏左右，在大鼠運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電池性能也依然能保持穩(wěn)定。

  “動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，該電池不僅可以通過(guò)生物酶在動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生電，而且具有極其優(yōu)異的生物相容性。我們與重慶醫(yī)科大學(xué)開(kāi)展醫(yī)工交叉合作，進(jìn)行了全面的生物相容性測(cè)試，包括對(duì)大鼠體重、植入部位的愈合過(guò)程及組織學(xué)圖像、肝功能、腎功能、主要臟器組織學(xué)圖像的觀察，并未發(fā)現(xiàn)局部的炎癥和全身異常。”楊揚(yáng)說(shuō)。

  他表示，未來(lái)他們將進(jìn)一步結(jié)合微觀傳遞理論，通過(guò)研究在微小空間下，工作在非均勻力學(xué)環(huán)境的柔性電源的內(nèi)部物質(zhì)傳遞、流體流動(dòng)規(guī)律，將微觀傳遞理論與生物力學(xué)、微機(jī)械工程等學(xué)科進(jìn)行交叉，提高生物電極在真實(shí)生物環(huán)境下的催化反應(yīng)效率，進(jìn)而提高電池的輸出功率和產(chǎn)電穩(wěn)定性。

  另外，他們還將設(shè)計(jì)和搭建生物電源系統(tǒng)，使酶燃料電池具備傳感功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體健康的實(shí)時(shí)感知和精確反饋。他們希望將整個(gè)電源系統(tǒng)進(jìn)一步適配在電子皮膚、自供電生理監(jiān)測(cè)裝置和治療裝置等下一代可穿戴、可植入電子設(shè)備上，并取得突破性進(jìn)展。(科技日?qǐng)?bào)記者 雍 黎)