“水滴电池”利用离子梯度发电，为微型生物集成设备的开发开辟道路

2023-09-01 07:08:04 来源：科技日报收藏

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水凝胶液滴动力单元的激活过程。左图，在电池激活之前，绝缘脂质会阻止液滴之间的离子流动。右图：通过热凝胶过程激活电源，使脂质双层破裂。然后离子穿过导电水凝胶，从两端的高盐液滴移动到中间的低盐液滴。使用银/氯化银电极来测量电输出。图片来源：张雨佳（音译）/美国科学促进会Eurekalert网站

科技日报记者张佳欣

英国牛津大学研究人员在实现能直接刺激细胞的微型生物集成设备方面迈出了关键一步。该设备利用离子梯度发电，可在微观范围内调节细胞和组织，为下一代可穿戴设备、生物混合接口、植入物、合成组织和微型机器人提供动力。这项研究30日发表在《自然》杂志上。

能够与细胞相互作用并刺激细胞的小型生物集成设备有重要治疗作用，如提供靶向药物治疗和加速伤口愈合。然而，这些设备都需要电源才能运行。此前，一直没有有效的方法在微观尺度上提供电力。

为了解决这个问题，牛津大学化学系研究人员开发了一种微型电源，能够改变培养的人类神经细胞的活动。受电鳗发电方式的启发，该设备利用内部离子梯度来产生能量。

这种微型柔性电源通过沉积一串5个纳升大小的导电水凝胶液滴制成。每个液滴都有不同的成分，因此整条链上会形成盐浓度梯度。相邻液滴之间由脂质双层隔开，脂质双层提供机械支撑，同时防止离子在液滴之间流动。

将结构冷却到4℃并改变周围介质就能够产生电能，因为这会扰乱脂质双层并导致液滴形成连续的水凝胶。离子通过导电水凝胶，从两端的高盐液滴移动到中间的低盐液滴，通过将末端液滴连接到电极，从离子梯度释放的能量被转化为电能，使水凝胶结构能够作为外部组件的电源。

在这项研究中，被激活的液滴电源产生的电流持续了30分钟以上。一个由50纳升液滴组成的单元最大输出功率约为65纳瓦。这些设备在储存36小时后产生了类似的电流量。5个纳升大小的导电水凝胶液滴可作一个单元，该设备的模块化设计允许将多个单元组合在一起，使产生的电压和电流增加。串联20个这样的单元，就能点亮一个发光二极管。

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