“水滴電池”利用離子梯度發電，為微型生物集成設備的開發開辟道路
(資料圖片)
水凝膠液滴動力單元的激活過程。左圖，在電池激活之前，絕緣脂質會阻止液滴之間的離子流動。右圖：通過熱凝膠過程激活電源，使脂質雙層破裂。然后離子穿過導電水凝膠，從兩端的高鹽液滴移動到中間的低鹽液滴。使用銀/氯化銀電極來測量電輸出。圖片來源：張雨佳（音譯）/美國科學促進會Eurekalert網站
科技日報記者?張佳欣
英國牛津大學研究人員在實現能直接刺激細胞的微型生物集成設備方面邁出了關鍵一步。該設備利用離子梯度發電，可在微觀范圍內調節細胞和組織，為下一代可穿戴設備、生物混合接口、植入物、合成組織和微型機器人提供動力。這項研究30日發表在《自然》雜志上。
能夠與細胞相互作用并刺激細胞的小型生物集成設備有重要治療作用，如提供靶向藥物治療和加速傷口愈合。然而，這些設備都需要電源才能運行。此前，一直沒有有效的方法在微觀尺度上提供電力。
為了解決這個問題，牛津大學化學系研究人員開發了一種微型電源，能夠改變培養的人類神經細胞的活動。受電鰻發電方式的啟發，該設備利用內部離子梯度來產生能量。
這種微型柔性電源通過沉積一串5個納升大小的導電水凝膠液滴制成。每個液滴都有不同的成分，因此整條鏈上會形成鹽濃度梯度。相鄰液滴之間由脂質雙層隔開，脂質雙層提供機械支撐，同時防止離子在液滴之間流動。
將結構冷卻到4℃并改變周圍介質就能夠產生電能，因為這會擾亂脂質雙層并導致液滴形成連續的水凝膠。離子通過導電水凝膠，從兩端的高鹽液滴移動到中間的低鹽液滴，通過將末端液滴連接到電極，從離子梯度釋放的能量被轉化為電能，使水凝膠結構能夠作為外部組件的電源。
在這項研究中，被激活的液滴電源產生的電流持續了30分鐘以上。一個由50納升液滴組成的單元最大輸出功率約為65納瓦。這些設備在儲存36小時后產生了類似的電流量。5個納升大小的導電水凝膠液滴可作一個單元，該設備的模塊化設計允許將多個單元組合在一起，使產生的電壓和電流增加。串聯20個這樣的單元，就能點亮一個發光二極管。
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