更大柔性更高强度，新型植入式酶燃料电池研发技术突破
发布日期：2023/5/19
5月16日，从重庆大学获悉，能源与动力工程学院廖强教授团队和重庆医科大学戴红卫教授团队合作采用静电纺丝技术开发了一种植入式酶燃料电池。该电池在大鼠体内可经受拉伸、扭转和弯折等柔性工况，并可稳定供能超过一周。相关研究成果近日发表在国际知名期刊《先进功能材料》上。
弯折拉伸可降低酶燃料电池功率和寿命
酶燃料电池是一种以酶为催化剂，将人体体液中有机物储存的化学能直接转化成电能的发电装置，是一种极具应用前景的可穿戴、可植入生物电源技术。
酶燃料电池是这样工作的——含生物可降解有机物的汗液、尿液等人体体液流过生物电极发生生物电催化反应产生代谢物、电子、氢离子等；代谢物、氢离子在生物电极内沿着与体液有机物扩散相反的方向传递，电子则通过外电路到达阴极形成生物电流，与通过自然对流或溶解在体液中的氧气、氢离子反应生成水，最终形成闭合回路。
相比于其他微纳供能体系，酶燃料电池具有催化剂可再生、工作条件温和、功率密度高等优点，能够为低功耗可穿戴、可植入健康监测设备长期、稳定供电。
“对酶燃料电池的柔性化与全面生物相容性的评估是实现商业化的前提。”团队成员、重庆大学能源与动力工程学院副教授杨扬介绍，国内外现有的研究忽视了酶燃料电池会处在瞬间或反复作用的弯折、扭转、拉伸等柔性环境。在此环境下，电池的实际功率和能量密度低于非柔性状态，更重要的是电池功率输出波动加剧，寿命缩短。此外，在人体运动过程中，传统的结构设计使电池与人体组织力学性能失配，这会引起组织损伤和感染等问题。因此，他们希望设计一种生物相容性好、可拉伸、柔性的绿色生物电源装置。
赋予植入式酶燃料电池更大柔性更高强度
杨扬介绍，他们通过静电纺丝法制备生物相容性优异的热塑性聚氨酯橡胶(TPU)纤维，将其纺织成柔性可拉伸基底，并将共价结合的碳纳米管和葡萄糖氧化酶混合物泵入TPU柔性基底的表面和内部，构建酶燃料电池生物阳极，用来催化体液中的葡萄糖。这种生物电极结构不仅可以缓解弯折、扭转、拉伸带来的急剧性能衰减，而且能在电池工作过程中为酶催化剂提供良好的催化微环境。
单个植入式酶燃料电池装置中的电极采用紧凑的平面布置方式，电池大小仅为两平方厘米，厚度不到200微米。该电池拉伸强度可达5.7兆帕，最大应变可达557.3%，满足植入人体皮下的机械匹配需求，并且在反复拉伸和长时间放置条件下依然表现出优异的力学性能。在动物实验中，团队将该电池植入到大鼠皮下，在一周内电池的开路电压稳定在0.45伏左右，在大鼠运动过程中，电池性能也依然能保持稳定。
“动物实验显示，该电池不仅可以通过生物酶在动物体内产生电，而且具有极其优异的生物相容性。我们与重庆医科大学开展医工交叉合作，进行了全面的生物相容性测试，包括对大鼠体重、植入部位的愈合过程及组织学图像、肝功能、肾功能、主要脏器组织学图像的观察，并未发现局部的炎症和全身异常。”杨扬说。
他表示，未来他们将进一步结合微观传递理论，通过研究在微小空间下，工作在非均匀力学环境的柔性电源的内部物质传递、流体流动规律，将微观传递理论与生物力学、微机械工程等学科进行交叉，提高生物电极在真实生物环境下的催化反应效率，进而提高电池的输出功率和产电稳定性。
另外，他们还将设计和搭建生物电源系统，使酶燃料电池具备传感功能，实现对人体健康的实时感知和精确反馈。他们希望将整个电源系统进一步适配在电子皮肤、自供电生理监测装置和治疗装置等下一代可穿戴、可植入电子设备上，并取得突破性进展。
来源：科技日报 作者：雍 黎
