近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“深圳先進(jìn)院”）鐘超團(tuán)隊(duì)聯(lián)合劉志遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)、深圳大學(xué)王任衡團(tuán)隊(duì)在《先進(jìn)材料》上發(fā)表最新研究成果。他們利用3D打印活體水凝膠技術(shù)，成功研制出直徑僅20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。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。

生物電池也被稱(chēng)為微生物燃料電池，是一種利用電活性微生物的代謝活動(dòng)來(lái)發(fā)電的新型生物能源裝置。通過(guò)微型化和便攜化改造，微生物電池有望為智能手表、心臟起搏器等毫瓦級(jí)低功耗設(shè)備提供電力支持。

受傳統(tǒng)鋰電池制造技術(shù)啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)采用陰陽(yáng)極分離的優(yōu)化設(shè)計(jì)：以活體水凝膠作為“陽(yáng)極”，含鐵氰化鉀的藻酸鹽水凝膠作為“陰極”，通過(guò)3D打印技術(shù)制備出高性能電極結(jié)構(gòu)，最終成功構(gòu)建了直徑僅20毫米、硬幣大小的微型生物電池系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這塊微型電池可穩(wěn)定輸出450毫伏電壓，并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)10次完整的“自充電—放電”的供能循環(huán)。文章通訊作者鐘超研究員表示：“電池供能循環(huán)結(jié)束后，細(xì)菌存活率高達(dá)97%，且連續(xù)運(yùn)行100小時(shí)后仍保持90%以上的高存活率，這充分證明了其優(yōu)異的生物相容性。”進(jìn)一步的性能測(cè)試表明，生物電池具有出色的循環(huán)穩(wěn)定性，能量損失極低，同時(shí)完全避免了傳統(tǒng)電池中鈷、鋰等稀缺金屬以及有毒電解質(zhì)的使用，在環(huán)保方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)了瞬時(shí)神經(jīng)刺激這一精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域——通過(guò)集成電容器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電能的精準(zhǔn)調(diào)控，成功開(kāi)發(fā)出適用于神經(jīng)調(diào)控的生物電池應(yīng)用方案。大鼠坐骨神經(jīng)刺激實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著生物電池輸出強(qiáng)度的梯度增加，誘發(fā)的動(dòng)作電位和肌電信號(hào)幅度呈現(xiàn)顯著劑量依賴(lài)性增強(qiáng)。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)生物電池的輸出，大鼠血壓成功出現(xiàn)明顯下降。

這些數(shù)據(jù)不僅驗(yàn)證了生物電池在神經(jīng)干預(yù)治療中的有效性，更揭示其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)——細(xì)菌代謝的自然波動(dòng)特性反而與瞬時(shí)神經(jīng)刺激的需求高度契合，為高血壓等疾病的精準(zhǔn)神經(jīng)調(diào)控提供了創(chuàng)新解決方案。

論文第一作者王新宇介紹，團(tuán)隊(duì)未來(lái)計(jì)劃開(kāi)發(fā)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(xù)能源，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備的自供能運(yùn)行。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將通過(guò)優(yōu)化菌種選擇、改進(jìn)材料配方和精細(xì)調(diào)控電池結(jié)構(gòu)，提升生物電池性能，推動(dòng)該技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化。