90后，一作兼通訊發(fā)Nature：仿生！
小奇
奇物論
2023-09-07
與傳統(tǒng)的大體積電池相比，柔性微型電源有望提高生物相容性和靈活性。電鰻的電器官是利用離子通量發(fā)電的生物能源的一個例子。盡管一些研究調(diào)查了器官的發(fā)電行為，其他研究開發(fā)了數(shù)百平方厘米的大功率陣列來模擬這種行為，但沒有一項(xiàng)研究創(chuàng)造出可以按需開啟并與活細(xì)胞相互作用的多室微型離子電源。
近日，牛津大學(xué)Hagan Bayley、Linna Zhou、Yujia Zhang等人報(bào)道了一種微型軟電源，該電源通過沉積納升脂質(zhì)支持的水凝膠液滴網(wǎng)絡(luò)制成，該網(wǎng)絡(luò)使用內(nèi)部離子梯度來產(chǎn)生能量輸出。液滴電源以高密度存儲能量，并且在封裝后具有生物相容性、機(jī)械柔性、可擴(kuò)展性和便攜性。研究人員證明，含有神經(jīng)元的液滴與液滴裝置的連接能夠通過刺激細(xì)胞內(nèi)Ca2+波來調(diào)節(jié)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)活動的離子電流。
該研究旨在創(chuàng)造受電鰻電能生成機(jī)制啟發(fā)的人工電源。作者通過使用微小液滴，按照特定順序堆疊高鹽度、陽離子選擇性、低鹽度、陰離子選擇性和高鹽度液滴，來模擬電鰻的電細(xì)胞排列。這些液滴被放置在含有脂質(zhì)的油中，脂質(zhì)形成了保護(hù)層，穩(wěn)定了結(jié)構(gòu)。通過將液滴移至不含脂質(zhì)的油中激活電源，然后在低溫下將液滴凝膠化，離子可以在液滴之間流動，產(chǎn)生電能。電能通過特殊電極轉(zhuǎn)化為電流，從而可用于為外部設(shè)備供電。這個創(chuàng)新的電源還具有便攜性，適用于植入和可穿戴技術(shù)，而且穩(wěn)定性良好，可儲存并在需要時使用。簡言之：通過將結(jié)構(gòu)冷卻至 4°C 并改變周圍介質(zhì)來打開電源：這會破壞脂質(zhì)雙層并導(dǎo)致液滴形成連續(xù)的水凝膠。這使得離子可以穿過導(dǎo)電水凝膠，從兩端的高鹽液滴移動到中間的低鹽液滴。通過將末端液滴連接到電極，離子梯度釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能，使水凝膠結(jié)構(gòu)能夠充當(dāng)外部組件的電源。激活的液滴電源產(chǎn)生持續(xù)超過 30 分鐘的電流。由 50 納升液滴組成的單元的最大輸出功率約為 65 納瓦 (nW)。這些設(shè)備在存放 36 小時后也能產(chǎn)生了相似的電流量。為了提高液滴電源的性能，研究人員優(yōu)化了幾個關(guān)鍵參數(shù)，仿照反向電滲析原理。他們選擇了氯化鈣作為鹽，產(chǎn)生了最高的電壓輸出。將液滴體積從1,000納升減小到1.84納升，導(dǎo)致輸出電壓（從136下降到87 mV，減小了36%）和電流（從2.7 μA下降到0.83 μA，減小了70%）。然而，與體積減小相比，這些減小幅度較小。事實(shí)上，在匹配電阻條件下，1.84納升液滴的平均能量密度大約增加了100倍，達(dá)到約1300瓦特每立方米，相對于之前的電鰻啟發(fā)設(shè)計(jì)增加了約680倍，相對于隨后的紙-凝膠設(shè)計(jì)增加了約5倍，使其成為柔性電源的有力選擇。通過將多個電源單元串聯(lián)或并聯(lián)，可以增加輸出電壓和電流，使其適用于不同應(yīng)用。這一優(yōu)化過程有望提高液滴電源的性能和可用性。為了擴(kuò)展小液滴電源的規(guī)模，研究人員采用了模板法，將多個液滴沉積到特定圖案的3D打印樹脂模具中。這可以增加液滴層之間的接觸面積，降低內(nèi)部電阻，提高電源性能。他們使用600 μm內(nèi)徑的圓柱模具，自動組裝了液滴形成六邊形圖案，并將多個六邊形堆疊在一起，形成了一個三維電源網(wǎng)絡(luò)。這個過程可以通過三維液滴打印機(jī)實(shí)現(xiàn)，創(chuàng)造出包含數(shù)千個電源單元的網(wǎng)絡(luò)。通過這種方法，他們成功增強(qiáng)了輸出電壓和電流。這些液滴電源還可以通過電滲析重新充電，提高了可持續(xù)性。這項(xiàng)研究為構(gòu)建大規(guī)模、高性能的液滴電源網(wǎng)絡(luò)提供了新的方法。圖|模板輔助液滴網(wǎng)絡(luò)制造和輸出研究人員使用液滴裝置調(diào)控神經(jīng)元活動。高鹽和離子選擇性液滴與低離子濃度液滴連接，形成導(dǎo)電通路，允許離子電流流過，影響神經(jīng)元。他們使用微流控裝置創(chuàng)建了神經(jīng)微組織，將液滴裝置連接到神經(jīng)微組織上，并觀察了神經(jīng)元活動。結(jié)果顯示，液滴裝置可以改變神經(jīng)元的活動，這種調(diào)控是由液滴裝置生成的離子電流引起的。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，這種調(diào)控是與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的突觸活動相關(guān)的。通過使用抑制性神經(jīng)遞質(zhì)GABA，可以減弱這種調(diào)控。這項(xiàng)研究揭示了生物相容性的液滴裝置對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動的調(diào)控潛力。圖|離子液滴裝置誘導(dǎo)的神經(jīng)元調(diào)節(jié)SEBS(線性三嵌共聚)和其他封裝方法可能會打開使用離子電源為可穿戴設(shè)備和其他移動設(shè)備供電的大門。然而，還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。理想的電源應(yīng)該在生理環(huán)境中工作，以便可以在體內(nèi)用于生物調(diào)節(jié)。目前的液滴電源利用溫度變化來不可逆地觸發(fā)其活性，并且需要SEBS封裝才能在水環(huán)境中工作。水轉(zhuǎn)移與去濕方法的結(jié)合以及光控脂質(zhì)或膜蛋白的使用可以通過在具有遠(yuǎn)程、可逆開關(guān)的水環(huán)境中產(chǎn)生3D打印的液滴電源來實(shí)現(xiàn)體內(nèi)應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，將其他刺激響應(yīng)材料（例如磁性顆粒）納入水凝膠中可以賦予遠(yuǎn)程控制的移動性，以將體內(nèi)能量輸送到受限的生物環(huán)境。未來的研究應(yīng)側(cè)重于在生理?xiàng)l件下利用該設(shè)備并提高整體能量容量，然后可用于為下一代生物混合接口、植入物、合成組織和微型機(jī)器人提供動力。該液滴裝置還為調(diào)節(jié)各種微型細(xì)胞結(jié)構(gòu)（例如腦類器官和組裝體）的活性鋪平了一條替代途徑。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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