“燃料电池”动物体液葡萄糖能转为电能？科学家研发植入式酶燃料电池，可为皮下生医设备供能

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来源：DeepTech深科技

近日，重庆大学的廖强教授和杨扬教授，联合重庆医科大学周建萍教授，研发出一款植入式酶燃料电池，可对动物体液中的葡萄糖进行催化。

这款植入式酶燃料电池，采用紧凑的平面布置方式，面积大小仅为两平方厘米，厚度不到 200 微米。电池的拉伸强度达到 5.7 兆帕，最大应变可达 557.3%，能够满足植入人体皮下的需求。

在研发方法上，他们通过静电纺丝的方法制备出柔性可拉伸的基底，该基底由热塑性聚氨酯橡胶纤维纺织而来，具备优异的生物相容性。

其还将共价结合的碳纳米管和葡萄糖氧化酶混合物，泵入热塑性聚氨酯橡胶柔性基底。而在制备电池阴极时，研究人员采用商用铂碳作为阴极催化剂，最终造出了这款这款植入式酶燃料。

杨扬表示：“据我们所知，我们团队是首个将高可拉伸和柔性的生物燃料电池用于植入式电子设备的实验室。”

实验中，即便大鼠处于运动之中，电池性能依然可以保持稳定。当动物体内处于极端运动状态之下，该团队对酶燃料电池的电化学性能和生物相容性进行了评估。

在高度拉伸和扭转条件之下，植入式酶燃料电池依然具备稳定的性能，故能确保电池植入体内之后的可靠性。

由于具备可再生、清洁环保、能源转换高效等优点，预计酶燃料电池将带来诸多应用可能：

其一，可以作为移动电源。酶燃料电池可以作为便携式设备和穿戴式设备的可再生电源。由于酶燃料电池使用生物燃料作为能量来源介质，而生物燃料来自源源不断的动物体液产出，因此可以实现长时间的使用，并且无需频繁地充电。

其二，可以作为生物医学设备。酶燃料电池能搭载在植入式医疗器械比如脑机接口里。由于酶燃料电池具有较高的能量密度和可再生性，因此可以满足医疗设备对于电能的需求。

其三，可以作为传感器和生物传感器。酶燃料电池可被用于各种传感器和生物传感器的供电来源，进而让这些传感器用于环境监测和生物分析等。

其四，可用于疾病治疗。由酶燃料电池构建的电刺激系统和给药系统，能够用于体外创伤等疾病治疗。

将人体体液中的葡萄糖直接转为电能

据介绍，人体可穿戴、可植入式健康监测设备的供电问题，直接决定着传感器能否持续监测和稳定收集人体信息。多数传统监测系统使用锂电池进行能量供应，虽然能够满足系统的功耗，但是电池的定期更换或充电带来诸多不便，这导致设备的实用性受到制约。

此外，锂电池中含有毒有害的金属离子，植入人体之后会带来潜在的健康威胁。

酶燃料电池，是一种新型生物电源技术。由于具有安全、环保、价格低廉、容易微型化、底物容易获得等优点，它被认为是能驱动下一代可穿戴 & 可植入电子产品发展的绿色电池之一。

作为一种发电装置，它通过生物酶在电极上的催化，来将人体体液中的葡萄糖直接转为电能。

值得注意的是，在酶燃料电池植入人体之后，往往工作在柔性环境之下，这种环境中存在挤压、扭转、剪切等外力作用。

现有的植入式酶燃料电池是刚性的，与人体组织的杨氏模量和拉伸形变，存在着严重的失配，而这可能会造成佩戴不适、组织损伤感染、生物相容性差、电池寿命缩短、输出功率急剧波动等问题。

因此，开发一种生物相容性良好、具备高可拉伸能力的柔性植入式酶燃料电池至关重要。而这也是本次课题的立项原因。

期间，摆在研究人员面前的第一个问题是：如何解决酶燃料电池在植入体内后，在弯折、扭转、拉伸工作环境下的寿命短、能量输出不稳定、生物相容性差等问题。

后来，他们发现现有的植入式酶燃料电池与动物组织，存在力学失配的问题。为此，该团队通过开展相关的实验，详细阐述了极端植入环境之下电池的性能变化，并对电池生物相容性进行评估。

为了实现器件的柔性化和微型化，他们选取生物相容性较好的热塑性聚氨酯橡胶作为前驱体，采用静电纺丝技术和泵送结合的方法，构建了超薄的三维生物电极。

接下来，则要研究器件的力学性能和体外电化学性能。为此，该团队采用万用拉伸机，来评估器件的杨氏模量和拉伸伸长率、以及循环拉伸和长期放置后的力学性能衰减，并进一步优化器件的制备工艺。

其中，在体外模拟体液环境中，他们使用电化学工作站，来评估器件的电化学性能，比如开路电压、输出功率和使用寿命等。

在将器件植入大鼠体内之后，该团队又研究了电化学性能和生物相容性。他们设计了一个对照组，选取对于柔性要求更高的植入部位——大鼠背部的皮肤下面，在将器件植入之后，开始对电池性能进行间歇性测试。

然后，他们统计了植入不同时间之后的老鼠体重、植入部位的愈合过程、以及组织学图像的数据。

据杨扬介绍，他们之前并未接触过动物活体实验。为了测试器件在老鼠体内的运行情况和生物相容性，课题组向重庆医科大学周建萍教授以及王镜茜博士寻求帮助。

而关于酶燃料电池植入大鼠体内的工作，此前已有其他研究团队报道过，比如植入大鼠脑部、提睾肌和腹部等。

但是，此前报道的植入电池无法满足拉伸的需求，同时这些植入部位对于设备的拉伸需求不大。

为了凸显设备在柔性环境下的稳定性，杨扬等人选择植入大鼠的背部皮下。这不仅是因为这个部位对于设备的柔性要求更高，也是因为在实验操作上更加容易。

由于该工作开展于疫情最严峻的阶段，这导致动物实验经历了漫长的折腾。杨扬说：“我们经常遇到大鼠都已经培养好了，但是因为疫情封校导致实验无法开展。后来，实验室培养的大鼠都吃胖了，因此不能再用于实验研究了。”

折腾几次之后，课题组终于如愿以偿地启动动物实验，尽管在大鼠手术、性能测试、取样和切片等一系列流程中也遇到过诸多难题，不过都在大家的激烈讨论和试错中解决了。

将打造能把体液转为生物电能的柔性电池

《“健康中国 2030”规划纲要》提出：“培育一批有特色的健康管理服务产业，探索推进可穿戴设备、智能健康电子产品和健康医疗移动应用服务等发展。”

大力发展环境友好和人体兼容的可穿戴、可植入式人体健康监测设备，符合建设健康中国、提高人民健康水平，发展大健康产业的重大战略需求。因此，在本次成果的基础之上，该团队也将再接再厉。

从科研角度而言，课题组将从工程热物理学科角度，揭示柔性环境下多孔生物电极孔特性的动态变化规律，并将采用电化学方法来阐明在孔特性动态变化之下，有机物、氧气、水等多组分物质在电极之内的传输特性，以及其与生物电化学反应的相互耦合关系。

基于此，他们将建立全场理论的传输模型，以便厘清电极结构动态变化，对于电池性能的影响规律。并将尝试提出强化柔性酶催化燃料电池，在柔性环境之下的传输特性、以及产电性能的方法。

从工程角度而言，酶生物燃料电池除了植入式的使用方法之外，还能以体液中的乳酸作为生物燃料，即将乳酸转化为丙酮酸和过氧化氢，从而进行电子传递，最终将化学能转变为电能。

围绕此，课题组打算研发将体液转为生物电能的柔性电池，希望能为电子皮肤、薄膜晶体管、可穿戴生理监测治疗装置等下一代可穿戴电子设备提供动力。

1. S.,  Guan.  J., Wang,  Y.,  Yang. et al. Highly Stretchable and Flexible Electrospinning-Based Biofuel Cell for Implantable Electronic. Advanced Functinoal Materials（2023）. https://doi.org/10.1002/adfm.202303134

运营/排版：何晨龙

好了，关于动物体液葡萄糖能转为电能？科学家研发植入式酶燃料电池，可为皮下生医设备供能就讲到这。