便携式生物电池使用活体水凝胶进行靶向神经信号调制

由电活性微生物构建的生物电池因其优越的适应性和生物相容性，在生理监测、组织整合和为植入式设备供电方面具有独特的优势。然而，开发即插即用且与现有设备兼容的小型化和便携式生物电池仍然是一个挑战。

在《先进材料》杂志上发表的一项研究中，中国科学院深圳先进技术研究院的钟超、刘志远和王新宇领导的一个团队与深圳大学的王仁恒合作，开发了一种小型化的便携式生物电池，可以精确控制生物电刺激和生理血压信号。

研究人员将Shewanella oneidensis MR-1生物膜封装在藻酸盐水凝胶中，以开发活水凝胶，该水凝胶可以3D打印成特定的几何形状，用于定制制造。受锂离子电池制造的启发，他们开发了一种小型化的生物电池（直径20毫米，高度3.2毫米），使用活水凝胶作为生物阳极墨水，含K3[Fe（CN）6]的藻酸盐水凝胶作为阴极墨水，Nafion膜作为离子交换膜。

生物电池利用细菌的代谢活动产生电力，使其具有长达10个周期的自充电能力。它还可以作为充电/放电循环的伪电池，在50个循环中的库仑效率超过99.5%，表明能量损失较低。令人印象深刻的是，生物电池中的细菌在整个过程中保持了70%以上的高存活率，在操作结束时保持了97.6%。

生物电池的比容量为0.4 mAh g−1，最大功率密度约为8.31µW cm−2，能量密度为0.008 Wh/L。尽管这些值低于传统锂离子电池，但生物电池通过避免使用钴和锂等关键原材料以及锰和有机电解质等对环境有害的成分，提供了一种可持续的能源替代品。

此外，研究人员还探索了生物电池在神经刺激中的应用潜力。通过靶向坐骨神经和迷走神经，他们证明了其对生物电刺激和生理血压信号的精确控制。这种精确的刺激技术有望开发出新的物理治疗方法。

这项研究促进了便携式生物设备的发展，同时扩大了工程生命能源材料的研究前沿。它为可持续能源的未来发展和应用提供了创新的解决方案