新型植入式酶燃料電池：無懼彎折拉伸 將汗水化為電能

  團隊通過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極，用來催化體液中的葡萄糖。

  5月16日，科技日報記者從重慶大學(xué)獲悉，能源與動力工程學(xué)院廖強教授團隊和重慶醫(yī)科大學(xué)戴紅衛(wèi)教授團隊合作采用靜電紡絲技術(shù)開發(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)定供能超過一周。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在國際知名期刊《先進功能材料》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，將人體體液中有機物儲存的化學(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——含生物可降解有機物的汗液、尿液等人體體液流過生物電極發(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)沿著與體液有機物擴散相反的方向傳遞，電子則通過外電路到達陰極形成生物電流，與通過自然對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，能夠為低功耗可穿戴、可植入健康監(jiān)測設(shè)備長期、穩(wěn)定供電。

  “對酶燃料電池的柔性化與全面生物相容性的評估是實現(xiàn)商業(yè)化的前提。”團隊成員、重慶大學(xué)能源與動力工程學(xué)院副教授楊揚介紹，國內(nèi)外現(xiàn)有的研究忽視了酶燃料電池會處在瞬間或反復(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加劇，壽命縮短。此外，在人體運動過程中，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計使電池與人體組織力學(xué)性能失配，這會引起組織損傷和感染等問題。因此，他們希望設(shè)計一種生物相容性好、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度

  楊揚介紹，他們通過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極，用來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)、拉伸帶來的急劇性能衰減，而且能在電池工作過程中為酶催化劑提供良好的催化微環(huán)境。

  單個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。該電池拉伸強度可達5.7兆帕，最大應(yīng)變可達557.3%，滿足植入人體皮下的機械匹配需求，并且在反復(fù)拉伸和長時間放置條件下依然表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。在動物實驗中，團隊將該電池植入到大鼠皮下，在一周內(nèi)電池的開路電壓穩(wěn)定在0.45伏左右，在大鼠運動過程中，電池性能也依然能保持穩(wěn)定。

  “動物實驗顯示，該電池不僅可以通過生物酶在動物體內(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)開展醫(yī)工交叉合作，進行了全面的生物相容性測試，包括對大鼠體重、植入部位的愈合過程及組織學(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。”楊揚說。

  他表示，未來他們將進一步結(jié)合微觀傳遞理論，通過研究在微小空間下，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、流體流動規(guī)律，將微觀傳遞理論與生物力學(xué)、微機械工程等學(xué)科進行交叉，提高生物電極在真實生物環(huán)境下的催化反應(yīng)效率，進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)計和搭建生物電源系統(tǒng)，使酶燃料電池具備傳感功能，實現(xiàn)對人體健康的實時感知和精確反饋。他們希望將整個電源系統(tǒng)進一步適配在電子皮膚、自供電生理監(jiān)測裝置和治療裝置等下一代可穿戴、可植入電子設(shè)備上，并取得突破性進展。(科技日報記者 雍 黎)