90后，一作兼通讯发Nature：仿生！
小奇
2023-09-07
与传统的大体积电池相比，柔性微型电源有望提高生物相容性和灵活性。电鳗的电器官是利用离子通量发电的生物能源的一个例子。尽管一些研究调查了器官的发电行为，其他研究开发了数百平方厘米的大功率阵列来模拟这种行为，但没有一项研究创造出可以按需开启并与活细胞相互作用的多室微型离子电源。
近日，牛津大学Hagan Bayley、Linna Zhou、Yujia Zhang等人报道了一种微型软电源，该电源通过沉积纳升脂质支持的水凝胶液滴网络制成，该网络使用内部离子梯度来产生能量输出。液滴电源以高密度存储能量，并且在封装后具有生物相容性、机械柔性、可扩展性和便携性。研究人员证明，含有神经元的液滴与液滴装置的连接能够通过刺激细胞内Ca2+波来调节神经元网络活动的离子电流。
该研究旨在创造受电鳗电能生成机制启发的人工电源。作者通过使用微小液滴，按照特定顺序堆叠高盐度、阳离子选择性、低盐度、阴离子选择性和高盐度液滴，来模拟电鳗的电细胞排列。这些液滴被放置在含有脂质的油中，脂质形成了保护层，稳定了结构。通过将液滴移至不含脂质的油中激活电源，然后在低温下将液滴凝胶化，离子可以在液滴之间流动，产生电能。电能通过特殊电极转化为电流，从而可用于为外部设备供电。这个创新的电源还具有便携性，适用于植入和可穿戴技术，而且稳定性良好，可储存并在需要时使用。简言之：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。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 小时后也能产生了相似的电流量。为了提高液滴电源的性能，研究人员优化了几个关键参数，仿照反向电渗析原理。他们选择了氯化钙作为盐，产生了最高的电压输出。将液滴体积从1,000纳升减小到1.84纳升，导致输出电压（从136下降到87 mV，减小了36%）和电流（从2.7 μA下降到0.83 μA，减小了70%）。然而，与体积减小相比，这些减小幅度较小。事实上，在匹配电阻条件下，1.84纳升液滴的平均能量密度大约增加了100倍，达到约1300瓦特每立方米，相对于之前的电鳗启发设计增加了约680倍，相对于随后的纸-凝胶设计增加了约5倍，使其成为柔性电源的有力选择。通过将多个电源单元串联或并联，可以增加输出电压和电流，使其适用于不同应用。这一优化过程有望提高液滴电源的性能和可用性。为了扩展小液滴电源的规模，研究人员采用了模板法，将多个液滴沉积到特定图案的3D打印树脂模具中。这可以增加液滴层之间的接触面积，降低内部电阻，提高电源性能。他们使用600 μm内径的圆柱模具，自动组装了液滴形成六边形图案，并将多个六边形堆叠在一起，形成了一个三维电源网络。这个过程可以通过三维液滴打印机实现，创造出包含数千个电源单元的网络。通过这种方法，他们成功增强了输出电压和电流。这些液滴电源还可以通过电渗析重新充电，提高了可持续性。这项研究为构建大规模、高性能的液滴电源网络提供了新的方法。研究人员使用液滴装置调控神经元活动。高盐和离子选择性液滴与低离子浓度液滴连接，形成导电通路，允许离子电流流过，影响神经元。他们使用微流控装置创建了神经微组织，将液滴装置连接到神经微组织上，并观察了神经元活动。结果显示，液滴装置可以改变神经元的活动，这种调控是由液滴装置生成的离子电流引起的。进一步实验表明，这种调控是与神经网络中的突触活动相关的。通过使用抑制性神经递质GABA，可以减弱这种调控。这项研究揭示了生物相容性的液滴装置对神经网络活动的调控潜力。SEBS(线性三嵌共聚)和其他封装方法可能会打开使用离子电源为可穿戴设备和其他移动设备供电的大门。然而，还有进一步改进的空间。理想的电源应该在生理环境中工作，以便可以在体内用于生物调节。目前的液滴电源利用温度变化来不可逆地触发其活性，并且需要SEBS封装才能在水环境中工作。水转移与去湿方法的结合以及光控脂质或膜蛋白的使用可以通过在具有远程、可逆开关的水环境中产生3D打印的液滴电源来实现体内应用。在此基础上，将其他刺激响应材料（例如磁性颗粒）纳入水凝胶中可以赋予远程控制的移动性，以将体内能量输送到受限的生物环境。未来的研究应侧重于在生理条件下利用该设备并提高整体能量容量，然后可用于为下一代生物混合接口、植入物、合成组织和微型机器人提供动力。该液滴装置还为调节各种微型细胞结构（例如脑类器官和组装体）的活性铺平了一条替代途径。Zhang, Y., Riexinger, J., Yang, X. et al. A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity. Nature 620, 1001–1006 (2023).https://doi.org/10.1038/s41586-023-06295-y
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