5月16日，科技日報記者從重慶大學獲悉，能源與動力工程學院廖強教授團隊和重慶醫科大學戴紅衛教授團隊合作采用靜電紡絲技術開發了一種植入式酶燃料電池。該電池在大鼠體內可經受拉伸、扭轉和彎折等柔性工況，并可穩定供能超過一周。相關研究成果近日發表在國際知名期刊《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能直接轉化成電能的發電裝置，是一種極具應用前景的可穿戴、可植入生物電源技術。

 

       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生生物電催化反應產生代謝物、電子、氫離子等；代謝物、氫離子在生物電極內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、功率密度高等優點，能夠為低功耗可穿戴、可植入健康監測設備長期、穩定供電。

 

       “對酶燃料電池的柔性化與全面生物相容性的評估是實現商業化的前提。”團隊成員、重慶大學能源與動力工程學院副教授楊揚介紹，國內外現有的研究忽視了酶燃料電池會處在瞬間或反復作用的彎折、扭轉、拉伸等柔性環境。在此環境下，電池的實際功率和能量密度低于非柔性狀態，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，傳統的結構設計使電池與人體組織力學性能失配，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部，構建酶燃料電池生物陽極，用來催化體液中的葡萄糖。這種生物電極結構不僅可以緩解彎折、扭轉、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，并且在反復拉伸和長時間放置條件下依然表現出優異的力學性能。在動物實驗中，團隊將該電池植入到大鼠皮下，在一周內電池的開路電壓穩定在0.45伏左右，在大鼠運動過程中，電池性能也依然能保持穩定。

 

       “動物實驗顯示，該電池不僅可以通過生物酶在動物體內產生電，而且具有極其優異的生物相容性。我們與重慶醫科大學開展醫工交叉合作，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圖像、肝功能、腎功能、主要臟器組織學圖像的觀察，并未發現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，工作在非均勻力學環境的柔性電源的內部物質傳遞、流體流動規律，將微觀傳遞理論與生物力學、微機械工程等學科進行交叉，提高生物電極在真實生物環境下的催化反應效率，進而提高電池的輸出功率和產電穩定性。

 

       另外，他們還將設計和搭建生物電源系統，使酶燃料電池具備傳感功能，實現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進一步適配在電子皮膚、自供電生理監測裝置和治療裝置等下一代可穿戴、可植入電子設備上，并取得突破性進展。