深圳新聞網(wǎng)2025年4月2日訊（記者 葉梅 通訊員 朱詩穎）生物電池也被稱為微生物燃料電池，是一種利用電活性微生物的代謝活動來發(fā)電的新型生物能源裝置，這種“活體電池”具備超強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和良好的生物相容性，在生理監(jiān)測、植入式醫(yī)療設(shè)備供電、解決可持續(xù)能源供應(yīng)等方面發(fā)揮了重要作用。通過微型化和便攜化改造，微生物電池有望為智能手表、心臟起搏器等毫瓦級低功耗設(shè)備提供電力支持。
論文截圖
近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院（簡稱“深圳先進(jìn)院”）定量合成生物學(xué)全國重點實驗室鐘超團(tuán)隊聯(lián)合深圳先進(jìn)院集成所神經(jīng)工程中心劉志遠(yuǎn)團(tuán)隊、深圳大學(xué)王任衡團(tuán)隊在《先進(jìn)材料》上發(fā)表最新研究成果。他們利用3D打印活體水凝膠技術(shù)，成功研制出直徑僅20毫米的微型便攜式微生物燃料電池，創(chuàng)新性地整合了生物電刺激裝置，通過刺激神經(jīng)元實現(xiàn)了對電生理和血壓的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，在疾病治療方面有較大應(yīng)用潛力。該研究推動了便攜式生物器件的發(fā)展，拓展了活體能源材料的研究前沿。
微型便攜式生物電池產(chǎn)生的電能可以傳遞至神經(jīng)細(xì)胞，實現(xiàn)對其精準(zhǔn)調(diào)控。研究團(tuán)隊供圖
跨學(xué)科開發(fā)可循環(huán)供能的生物電池
在該研究中，研究團(tuán)隊基于希瓦氏菌，開發(fā)了一種創(chuàng)新的3D打印活體水凝膠材料，這種生物材料具有獨特的彈性特性，使其能夠通過3D打印技術(shù)形成包括精細(xì)的蜘蛛網(wǎng)狀、葉片狀等涵蓋一維到三維的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。為確保微生物在裝置中保持活性，研究人員首先將處于溶液狀態(tài)的微生物封裝在藻酸鹽水凝膠中，并通過添加納米纖維素、氧化石墨烯對體系進(jìn)行優(yōu)化，顯著提升了材料的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性能。
設(shè)計并制作生物電池需要融合多學(xué)科知識，涉及合成生物學(xué)、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。在深圳先進(jìn)院，跨學(xué)科合作具有天然優(yōu)勢，鐘超團(tuán)隊基于突破性材料，與深圳先進(jìn)院集成所神經(jīng)工程中心研究員劉志遠(yuǎn)團(tuán)隊合作，共同開發(fā)微型生物電池系統(tǒng)。
生物電池實拍圖。研究團(tuán)隊供圖
受傳統(tǒng)鋰電池制造技術(shù)啟發(fā)，研究團(tuán)隊采用陰陽極分離的優(yōu)化設(shè)計：以活體水凝膠作為“陽極”，含鐵氰化鉀的藻酸鹽水凝膠作為“陰極”，通過3D打印技術(shù)制備出高性能電極結(jié)構(gòu)，最終成功構(gòu)建了直徑僅20毫米的微型生物電池系統(tǒng)。
實驗結(jié)果表明，這塊微型電池可穩(wěn)定輸出450毫伏電壓，并實現(xiàn)長達(dá)10次完整的“自充電-放電”的供能循環(huán)。文章通訊作者鐘超研究員表示：“電池供能循環(huán)結(jié)束后，細(xì)菌存活率高達(dá)97%，且連續(xù)運行100小時后仍保持90%以上的高存活率，這充分證明了其優(yōu)異的生物相容性。”進(jìn)一步的性能測試表明，生物電池具有出色的循環(huán)穩(wěn)定性，能量損失極低，同時完全避免了傳統(tǒng)電池中鈷、鋰等稀缺金屬以及有毒電解質(zhì)的使用，在環(huán)保方面具有顯著優(yōu)勢。盡管其當(dāng)前能量密度（0.008 瓦時每升）和功率密度（8.31 微瓦每平方厘米）較商業(yè)鋰離子電池仍有差距，但已基本滿足低功耗設(shè)備的供電需求。
實現(xiàn)精準(zhǔn)血壓調(diào)控
“研究需要突破‘紙面創(chuàng)新’，同時要找到切實可行的應(yīng)用場景?！毖芯空撐牡谝蛔髡咄跣掠罱榻B，盡管生物電池的技術(shù)概念新穎，但存在功率和輸出電壓波動（受細(xì)菌活性影響）兩大局限，使得生物電池難以勝任需要持續(xù)穩(wěn)定供電的場景。
基于這些特性，團(tuán)隊瞄準(zhǔn)了瞬時神經(jīng)刺激這一精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域——通過集成電容器系統(tǒng)實現(xiàn)電能的精準(zhǔn)調(diào)控，成功開發(fā)出適用于神經(jīng)調(diào)控的生物電池應(yīng)用方案。
大鼠坐骨神經(jīng)刺激實驗結(jié)果顯示，隨著生物電池輸出強(qiáng)度的梯度增加，誘發(fā)的動作電位和肌電信號幅度呈現(xiàn)顯著劑量依賴性增強(qiáng)。此外，通過調(diào)節(jié)生物電池的輸出，大鼠血壓成功出現(xiàn)明顯下降，收縮壓（高壓）降低23.5%，舒張壓（低壓）降低18.7%。刺激停止后，大鼠血壓自主恢復(fù)基線水平。
這些數(shù)據(jù)不僅驗證了生物電池在神經(jīng)干預(yù)治療中的有效性，更揭示其獨特優(yōu)勢——細(xì)菌代謝的自然波動特性反而與瞬時神經(jīng)刺激的需求高度契合，為高血壓等疾病的精準(zhǔn)神經(jīng)調(diào)控提供了創(chuàng)新解決方案。
據(jù)王新宇介紹，團(tuán)隊未來計劃開發(fā)基于活體水凝膠的植入式生物電池，利用人體血糖作為持續(xù)能源，實現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備的自供能運行。這項研究不僅體現(xiàn)了合成生物學(xué)與材料科學(xué)的交叉創(chuàng)新，也為發(fā)展環(huán)境友好的可持續(xù)能源技術(shù)提供了新思路，在醫(yī)療植入設(shè)備和環(huán)境監(jiān)測傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用前景。未來，研究團(tuán)隊將通過優(yōu)化菌種選擇、改進(jìn)材料配方和精細(xì)調(diào)控電池結(jié)構(gòu)，提升生物電池性能，推動該技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化。
深圳先進(jìn)院合成所鐘超課題組副研究員王新宇為論文第一作者和共同通訊作者。深圳先進(jìn)院合成所研究員鐘超、深圳先進(jìn)院集成所研究員劉志遠(yuǎn)，深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院教授王任衡為該論文的共同通訊作者。深圳先進(jìn)院集成所劉志遠(yuǎn)課題組副研究員韓飛、高級工程師周小猛，深圳大學(xué)博士生肖哲為論文共同第一作者。
論文鏈接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202419249