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細菌造的電池 硬幣大小卻能精準調控神經血壓
2025年06月11日 11:37:46
來源：化工儀器網 作者：小王 點擊量：3994
近日，中國科學院深圳先進技術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合中國科學院深圳先進技術研究院集成所神經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，研制出了僅硬幣大小的微型便攜式微生物燃料電池。為該領域帶來重要突破。
植入式醫療設備的發展為醫療行業的進步提供了新的方向，在臨床醫學中，使用植入式醫療設備對患者進行治療以及醫療檢測，被認為是現代醫學的一次重要突破。然而現階段，植入式醫療設備仍處于發展初期，許多設備在性能或者實用性方面，還存在需要優化的點。尤其是心臟起搏器、人工耳蝸、神經刺激器等設備，由于需要在人體內長期穩定運行，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合中國科學院深圳先進技術研究院集成所神經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，研制出了僅硬幣大小的微型便攜式微生物燃料電池。為該領域帶來重要突破。
利用電活性微生物構建的生物電池具有優越的環境適應性及生物兼容性，因此在生理環境監測、組織整合、植入式設備供電等領域展現出獨特優勢，近幾年受到高度關注。但是該類電池功率密度普遍較低。因此，實現設備的微型化和便攜性，能夠推動該技術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，在此基礎上創新性的整合了生物電刺激裝置，能夠通過刺激神經元實現了對電生理和血壓的精準調節，為生物電子裝置的集成化和標準化發展奠定了理論和實踐基礎，也為后續可持續能源的開發與應用提供了創新性解決方案。
根據中科院深圳先進技術研究院公開的相關資料，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，呈現出彈性固體狀水凝膠的特性，因此團隊將其開發為能夠進行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。電池的發電源于水凝膠內細菌的代謝活動，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穩定性，并且安全性也高于傳統微型電池，并且已經可以滿足低功耗設備的供電需求。
而未來，團隊將繼續在該領域尋求新的可能，嘗試開發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能源，實現醫療設備的自供能運行。還將通過優化菌種選擇、改進材料配方和精細調控電池結構等方式，進一步提升生物電池性能。
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