“90后”青年学者一作兼通讯Nature：灵感来源于电鳗，新型“水凝胶液滴电池”问世！

南美亚马逊河流域隐藏着一种震撼人心的生物——电鳗（electric eel），其惊人的电气能力令人闻风丧胆。作为地球上最恐怖的淡水生物之一，电鳗原产于亚马孙河与奥里诺科河，以其生物放电而闻名。有记录显示，个体电鳗的电压曾高达860伏特，平均电压亦可达到600伏特，攻击力堪比高压线。

 电鳗

法拉第就曾拿电鳗（还有电鳐）作过大量实验，并留下了极为详尽的实验记录和观察心得。几个世纪以来，科学家们都在研究电鳗的秘密。

刚刚，牛津大学Hagan Bayley教授、Zhou Linna博士和Zhang Yujia博士（一作兼通讯），受电鳗发电启发，开发了一种微型“液滴水凝胶电池”，通过水凝胶液滴之间的离子梯度来产生能量，可用于为集成到人体组织中的微型设备供电，相关论文以“A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity” 为题，发表在Nature杂志。值得一提的是，Zhang Yujia博士2016年本科毕业于中国科学技术大学，是一位“90”后青年学者。

研究人员通过沉积脂质支持的纳升水凝胶液滴网络来开发一种小型化软电源，该水凝胶液滴使用内部离子梯度来产生能量。与最初受鳗鱼启发的设计相比，该方法可以将动力单元的体积缩小10倍以上，并且可以存储能量超过24小时，实现按需运行，功率密度提高680倍，约为1300 Wm−3。该液滴装置可以作为生物相容性和生物离子电流源来调节三维神经微组织和离体小鼠脑切片中的神经元网络活动。最终，该软微型离子电子设备可能会集成到生物体中。

液滴电源放大版本

【结构与性能】

电鳗（例如电鳗）的发电能力依赖于串联堆叠数千个电细胞，其中阳离子Na+和K+可以单向通过电鳗中的离子选择性蛋白质通道。由浓度梯度驱动的细胞膜。作者通过依次组合五个纳升水性预凝胶（琼脂糖）液滴来模拟鳗鱼电器官的总体布局和机制（图1a）。每个液滴都有不同的成分，因此在整个链条上形成盐浓度梯度。脂质双层将液滴与其相邻液滴分开，脂质双层提供机械支撑，同时防止离子在液滴之间流动（图1）。通过将结构冷却至4°C并改变周围介质来打开电源：这会破坏脂质双层并导致液滴形成连续的水凝胶。这使得离子可以穿过导电水凝胶，从两端的高盐液滴移动到中间的低盐液滴。通过将末端液滴连接到电极，离子梯度释放的能量转化为电能，使水凝胶结构能够充当外部组件的电源。在研究中，激活的液滴电源产生持续超过30分钟的电流。由50纳升液滴组成的单元的最大输出功率约为65纳瓦(nW)。这些设备在存放36小时后产生了相似的电流量。

图 1. 液滴电源的结构和输出性能

【输出优化】

为了提高液滴电源的输出性能，作者根据反电渗析原理分析了影响产电行为的几个关键参数：选择性渗透膜上的离子梯度产生了穿过该膜的电动势。首先，对盐的种类、浓度梯度和外电阻进行了优化。使用脂质支持的水凝胶液滴构建软电源的优点之一是易于小型化。将液滴体积从1000 nl减少99.8%至1.84 nl，导致输出电压（36%，从136 mV减少至87 mV）和电流（70%，从2.7 μA减少至0.83 μA；图2a）。尽管小型化电源的总释放电荷较低（图2b），但作者可以串联和/或并联组合多个电源单元以增加输出电压和/或电流。VOC随着串联单元数量的增加而增加；ISC和总释放电荷随着并联单元数量的增加而增加（图2c）。

图 2. 液滴体积对液滴电源电气特性的影响

【可扩展的电源网络】

对于更大规模的液滴网络，重要的是在不增加液滴厚度的情况下增加不同功能液滴层之间的接触面积。因此，保持低内阻（小尺寸）同时增加串联或并联单元的数量会分别增加输出电压或电流。为了扩大小液滴的组装规模以适应更大规模的应用，作者采用了模板方法，将多个液滴沉积到三维打印的树脂模具中，以生产预先设计图案的动力单元（图3a，b）。作者制造了内径为600 μm的圆柱形模具，大约是4nl液滴直径的三倍。在每个模具中，他们沉积了七个液滴（4 nl），它们在几秒钟内自发组装成六边形“花状”图案（图3c，d）。将五个自组装的液滴六边形，其内容对应于一个动力单元的五个液滴，堆叠在更深的圆柱形模具中，以在三个维度上形成更大的电源网络（图3e）。为了证明多液滴组件的产量增加，作者在螺旋模具中串联组装了20个五液滴单元（图3f）。首先沉积高盐液滴，其次沉积阳离子选择性液滴，第三次沉积低盐液滴，最后沉积阴离子选择性液滴（图3g）。螺旋电源可以点亮发光二极管，这需要施加约2V的电势（图3h）。

图 3. 模板辅助液滴网络制造和输出

【通过产生的离子电流调节神经元】

研究小组随后演示了如何将活细胞附着在该装置的一端，以便它们的活动可以直接受到离子电流的调节。研究小组将该装置附着在含有人类神经祖细胞的液滴上，这些液滴已被荧光染料染色以表明其活性。当电源打开时，延时记录显示神经元中由局部离子电流诱导的细胞间钙信号波。研究人员表示，该设备的模块化设计允许组合多个单元，以增加产生的电压和/或电流。这可能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打开大门。通过串联20个五滴单元，他们能够点亮发光二极管，这需要大约2伏的电压。他们设想，通过使用液滴打印机等自动化设备生产，可以产生由数千个动力单元组成的液滴网络。

图 4. 离子液滴装置诱导的神经元调节

【小结】

微型化软电源代表了生物集成设备的突破。通过利用离子梯度，本文开发了一种微型生物相容性系统，用于在微观尺度上调节细胞和组织，这项工作解决了如何将柔软的生物相容性设备产生的刺激与活细胞耦合的重要问题。对生物混合接口、植入物和微型机器人等设备的潜在影响是巨大的。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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