解決的關鍵科學問題和主要研究內容
1 設計開發了一種植入式的Li電池供能裝置，能夠用于驅動帶電分子電泳運動、磁性操縱（作為移動式供能體）、心臟除顫等；
2 尺寸小于毫米的微型Li電池供能器件，具有生物兼容性、生物降解、容量高等特點，具有廣泛的生物醫學領域應用場景。
開發尺寸小于毫米的微型器件需要減小提供動力的電源體積。為了實現微創型生物醫學設備，電源需要使用軟材料。在之前的工作中，人們發現液滴設計的器件能夠作為微型能源提供能量，但是液滴體系仍然無法得到可充電的電池。
有鑒于此，牛津大學Hagan Bayley、Ming Lei、Yujia Zhang等報道了脂質載體并且通過生物兼容性的蠶絲水凝膠組裝了柔性的微型液滴鋰離子電池LiDB（lithium-ion droplet battery）。構筑的這種鋰離子液滴微型電池具有可觸發啟動、生物兼容性、可生物降解、高容量等特點。通過這種LiDB能夠為帶電分子在合成細胞之間進行電泳移動位置供能，而且能夠為體外的小鼠心臟進行除顫和起搏供能。當其中加入磁性粒子提供推動力，這種LiDB能夠作為體內的可移動供能裝置。這種微型多功能電池有可能應用于多種多樣的生物醫學應用場景。
由于這項研究的重要意義，加州理工學院高偉教授在Nature Chemical Engineering以“Miniaturized soft batteries for biomedical implants”為題進行評述。
LiDB電池的設計
圖1. LiDB的設計
設計的LiDB微電池含有三個絲水凝膠液滴，分別作為陰極液滴（含有LiMn2O4(LMO)和碳納米管）、陽極液滴（含有鈦酸鋰Li4Ti5O12(LTO)和碳納米管）、中間的分隔液滴（LiCl）。通過微量注射器分別在脂質的油上產生陰極、分隔、陽極。液滴一開始被單層脂質包裹，隨后液滴相互接觸并且形成雙層界面（DIBs, interface bilayer），因此得以形成穩定的無支撐結構。
開發的液滴LiDB優勢。這種制備電池的方法與以往制備水凝膠電池的方法不同，以往制備水凝膠電池需要分別滴鑄其中的組分，隨后進行交聯和組裝，最終得到完整的電池。這種電池制備技術存在缺點，包括活性物質混合產生短路和電池失活的問題，而且制造工藝復雜且耗時。但是，這種水凝膠制備電池技術能夠在數秒內實現陰極、分隔體、陽極自組裝為微型LiDB電池。而且能夠打印0.5nL的液滴（~100μm），這比報道工作的尺寸小10倍。通過紫外照射1 min能夠蠶絲水凝膠發生交聯，打破界面雙層，建立Li離子傳輸通路，激活LiDB電池。形成水凝膠之后，靜態的穩定蠶絲具有許多優勢，包括機械穩定性和承載產能源機器。蠶絲水凝膠具有彈性，因此保證LiDB具有穩健的性能，包括柔性和壓縮性（在80%的壓縮下保持~10kPa的模量），而且能夠保證內嵌的Li顆粒和CNT穩定，確保兩個電極之間的高導電性（41.3mS cm-1）。交聯的絲素蛋白通過負電荷氨基酸增強陽離子的選擇性，ζ電位-20.2mV，有助于鋰離子傳輸。而且，絲水凝膠具有生物相容性，可生物降解，對生物組織強烈粘接。因此，相比于傳統的大體積剛性Li電池，這個方法發展新方法，得到了微型柔性電池。
電化學性質。通過三電極體系測試微電池的電化學性能，在工作電壓區間內，陰極和陽極都有良好的氧化還原反應，恒電流充放電測試結果表明平均放電電壓為0.65V。表現具有前景的輸出功率，在1μA、0.5μA、0.2μA時，1μL液滴的電池容量能夠分別達到17nAh μL-1、27nAh μL-1、46nAh μL-1。具有非常好的穩定性，在1μA循環50圈后容量仍能夠達到72%。水凝膠的成分保證穩定時間超過48h。
圖2. LiDB的電化學性質
無接觸激活帶電分子的位置移動
圖3. LiDB驅動帶電分子運動
合成組織具有生物醫學應用領域的應用前景，比如釋放藥劑和受損器官的修復等。之前的研究人們報道了液滴網絡通過光驅動質子泵能夠實現合成細胞之間的通訊，但是光驅動質子泵產生的電流非常低（~20pA），導致光驅動帶電分子的運動非常緩慢，在15h過程中僅能移動~10mm。與這個報道相比，LiDB液滴體系具有高輸出和柔性的優勢，而且能夠提供直接且無極的輸入電場（tetherless input electric field），以及更好的穩定性和柔韌性。設計了電子-離子轉換液滴，能夠將電流轉變為離子流。這個設計使用PEDOT:PSS作為氧化還原活性材料，LiDB能夠在末端與其他液滴附著，產生離子通量，驅動附著液滴內產生電泳。使用pyronin Y陽離子熒光染料和陰離子MANT-dATP熒光染料驗證能夠驅動分子位置移動。將含有熒光染料分子的液滴放置于兩個液滴之間，隨后驗證熒光分子移動，在LiDB供能10min后，pyronin Y陽離子分子運動到陽極側，MANT-dATP陰離子運動到陰極側。此外，實驗驗證了帶電分子能夠穿過界面雙層嵌入的αHL孔，進入靶細胞內。
使用LiDB進行體外小鼠心臟除顫
電除顫能夠通過對心臟施加外電場恢復心臟跳動，比如自動體外除顫儀，以及植入式心臟除顫儀。但是高能量的點擊導致非常疼痛，這對生活質量產生非常嚴重的影響。開發高效低能量的生物兼容除顫設備受到人們廣泛關注，比如微型起搏器、植入式能量轉換器、無線電源等技術。
這種LiDB能夠在與Langendorff灌流的小鼠心臟接觸時形成較小的能量輸出，進行可調制的直流電擊，將LiDB放置在心臟表面，在附著和分離時取得最好的效果，并且驗證可以進行心臟除顫，而且對心臟組織沒有不良影響或作用。當與小鼠纖維細胞、人類皮膚纖維細胞或者iPS細胞進行培養，驗證了LiDB具有生物相容性。
圖4. LiDB對小鼠體外刺激
磁性LiDBs
圖5. LiDB磁力推進和轉向
通過水凝膠的分區化設置，LiDB能夠將能量存儲與其他功能結合的可能。比如，將磁性Ni顆粒放置在中心的分隔液滴內，能夠形成具有磁性操控的LiDBs。Ni顆粒不會影響水凝膠的形成，也不會改變電池的輸出功率，但是需要在外部磁場中進行操控。通過這種設計，LiDB能夠穿過油性的狹窄通道，或者從油相轉移到水相，作為移動式的供能體。
油相釋放能量。實驗結果表明，LiDB在設計的迷宮中進行在油相重復的運動，并且釋放儲存的能量。在0.5μA進行10圈循環工作后輸出能量仍保持77%。作為驗證實驗，使用2mF的電容器收集電荷，實驗結果表明在10圈循環后接收電荷達到0.51V的電壓，說明LiDB輸送了1.02mC電荷（對應的能量為0.26mJ）。
水相釋放能量。由于使用了穩健的水凝膠，因此LiDB可以在溶液中釋放能量，這對于生物有關的應用非常重要。在驗證實驗中，將LiDB從油相轉移到溶液相，在轉移到水相后，LiDB外部的油被排斥，隨后LiDB外部親水的絲素凝膠接觸的變成水，水相加入1M LiCl能夠放置Li泄露。因為輸出電壓低于電解水所需的電壓（1.23V），因此LiDB在LiCl溶液中能夠工作。
總結
圖6. 柔性電池的生物醫療應用
隨著柔性電池技術的不斷發展，有可能在健康領域產生更多的應用。LiDB作為柔性供能器件，能夠產生廣闊的醫療領域應用，包括生物信號監控、化學/物理分析、神經/肌肉刺激等。這種LiDB具有的柔性和生物兼容性優勢為微型的植入器件、可穿戴電子學、可溶的生物降解醫療器件提供發展機會。重要的是，目前生物電子器件雖然能夠與生物組織的機械性質匹配，但是缺乏柔性供能裝置，LiDB裝置能夠解決這個困難。
這種柔性電池結構能夠設計成不同尺寸。比如零維設計適用于能量需求低的微型植入裝置；一維結構能夠作為柔性和可伸縮的結構與生物組織進行結合；二維結構能夠設計到組織或者器官的表面，從而實現對較大面積進行穩定供能；三維結構能夠增加體積和容量，用于耗能更多的應用場景。而且，通過與能量收集結構或者無線充電結構集成，能夠進一步滿足長期工作的能源需求。
參考文獻
Zhang, Y., Sun, T., Yang, X.et al. A microscale soft lithium-ion battery for tissue stimulation. Nat Chem Eng (2024).
DOI: 10.1038/s44286-024-00136-z
https://www.nature.com/articles/s44286-024-00136-z
Heng, W., Yao, D.R. & Gao, W. Miniaturized soft batteries for biomedical implants.Nat Chem Eng (2024).
DOI:10.1038/s44286-024-00135-0
https://www.nature.com/articles/s44286-024-00135-0
