“水滴電池”利用離子梯度發(fā)電，為微型生物集成設(shè)備的開發(fā)開辟道路

2023-08-31 07:45:51來源：科技日報

(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(zhì)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(zhì)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(wǎng)站

科技日報記者?張佳欣

英國牛津大學研究人員在實現(xiàn)能直接刺激細胞的微型生物集成設(shè)備方面邁出了關(guān)鍵一步。該設(shè)備利用離子梯度發(fā)電，可在微觀范圍內(nèi)調(diào)節(jié)細胞和組織，為下一代可穿戴設(shè)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(fā)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(shè)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(shè)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(fā)了一種微型電源，能夠改變培養(yǎng)的人類神經(jīng)細胞的活動。受電鰻發(fā)電方式的啟發(fā)，該設(shè)備利用內(nèi)部離子梯度來產(chǎn)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(zhì)雙層隔開，脂質(zhì)雙層提供機械支撐，同時防止離子在液滴之間流動。

將結(jié)構(gòu)冷卻到4℃并改變周圍介質(zhì)就能夠產(chǎn)生電能，因為這會擾亂脂質(zhì)雙層并導致液滴形成連續(xù)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(zhuǎn)化為電能，使水凝膠結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的電流持續(xù)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(shè)備在儲存36小時后產(chǎn)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(shè)備的模塊化設(shè)計允許將多個單元組合在一起，使產(chǎn)生的電壓和電流增加。串聯(lián)20個這樣的單元，就能點亮一個發(fā)光二極管。

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