團隊通過靜電紡絲法制備生物相容性優(yōu)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。
近日,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(yī)科大學戴紅衛(wèi)教授團隊合作采用靜電紡絲技術開發(fā)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(wěn)定供能超過一周。相關研究成果近日發(fā)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(fā)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(fā)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(yōu)點,能夠為低功耗可穿戴、可植入健康監(jiān)測設備長期、穩(wěn)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(xiàn)商業(yè)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(xiàn)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(huán)境。在此環(huán)境下,電池的實際功率和能量密度低于非柔性狀態(tài),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(tǒng)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(yōu)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(huán)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(xiàn)出優(yōu)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(wěn)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(wěn)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(yōu)異的生物相容性。我們與重慶醫(yī)科大學開展醫(yī)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(fā)現(xiàn)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(huán)境的柔性電源的內部物質傳遞、流體流動規(guī)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(huán)境下的催化反應效率,進而提高電池的輸出功率和產電穩(wěn)定性。
另外,他們還將設計和搭建生物電源系統(tǒng),使酶燃料電池具備傳感功能,實現(xiàn)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(tǒng)進一步適配在電子皮膚、自供電生理監(jiān)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。
原標題: 新型植入式酶燃料電池:無懼彎折拉伸 將汗水化為電能