細菌造電池能精準調控神經血壓

◎本報記者 羅雲鵬 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電的新型生物能源裝置。這種“活體電池”具備超強的環境適應性和良好的生物相容性，在生理監測、植入式醫療設備供電、解決可持續能源供應等方面發揮了重要作用。隨着技術的不斷進步，通過對其進行微型化和便攜化改造，微生物電池有望為智能手錶、心臟起搏器等毫瓦級低功耗設備提供電力支持。

近日，中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室研究員鍾超團隊聯合中國科學院深圳先進技術研究院集成所神經工程中心研究員劉志遠團隊、深圳大學博士王任衡團隊，利用3D打印活體水凝膠技術，成功研製出直徑僅20毫米的微型便攜式微生物燃料電池。這一微型便攜式微生物燃料電池創新性地整合了生物電刺激裝置，通過刺激神經元實現了對電生理和血壓的精準調節，在疾病治療方面有較大應用潛力。該研究推動了便攜式生物器件的發展，拓展了活體能源材料的研究前沿。相關研究成果日前發表在國際期刊《先進材料》上。

生物電池性能優異

在此次研究中，研究團隊基於希瓦氏菌，開發了一種創新的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，藉助3D打印技術，研究人員能夠利用其構建出從一維到三維的複雜結構，包括精細的蜘蛛網狀、葉片狀等結構。

為了讓微生物在裝置內始終保持活性，研究人員精心設計了一套方案。他們先將處於溶液狀態的微生物封裝於藻酸鹽水凝膠之中，隨後向凝膠中又添加了納米纖維素、氧化石墨烯。這一舉措成效顯著，材料的機械強度和導電性能均得到了大幅提升。

受傳統鋰電池製造技術啓發，研究團隊採用陰陽極分離的優化設計：以活體水凝膠作為陽極，含亞鐵氰化鉀的藻酸鹽水凝膠作為陰極，通過3D打印技術製備出高性能電極結構，最終成功構建了一個直徑僅20毫米的微型生物電池系統。

實驗結果表明，這塊微型電池可穩定輸出450毫伏電壓，並可以完成長達10次完整的“自充電—放電”供能循環。

鍾超介紹：“在電池完成供能循環結束後，細菌存活率高達97%。即便連續運行100小時，細菌仍能保持90%以上的高存活率，這充分彰顯了電池優異的生物相容性。”

進一步的性能測試表明，生物電池具有出色的循環穩定性，能量損失極低，同時完全避免了傳統電池中鈷、鋰等稀缺金屬以及有毒電解質的使用，在環保方面具有顯著優勢。儘管目前其能量密度為0.008瓦時每升、功率密度為8.31微瓦每平方釐米，與商業鋰離子電池相比仍存在一定差距，但已基本能夠滿足低功耗設備的供電需求。

瞄準瞬時刺激新場景

“研究需要突破‘紙面創新’，找到切實可行的應用場景。”研究論文第一作者王新宇介紹，儘管生物電池的技術概念新穎，但受細菌活性等因素的制約，生物電池在需要持續穩定供電的場景中難以發揮優勢，這成為其廣泛應用的一大阻礙。

基於生物電池的這些特性，團隊瞄準了瞬時神經刺激這一精準醫療領域。他們通過集成電容器系統，實現了對電能的精準調控，成功開發出一套適用於神經調控的生物電池應用方案。

大鼠坐骨神經刺激實驗結果顯示，隨着生物電池輸出強度的梯度增加，誘發的動作電位和肌電信號幅度呈現顯著劑量依賴性增強。

此外，通過調節生物電池的輸出，大鼠的血壓也出現明顯下降，收縮壓降低23.5%，舒張壓降低18.7%。當刺激停止後，大鼠的血壓自主恢復基線水平。

這些數據不僅驗證了生物電池在神經幹預治療中的有效性，更揭示了其獨特優勢——細菌代謝的自然波動特性與瞬時神經刺激的需求高度契合，為高血壓等疾病的精準神經調控提供了創新解決方案。

王新宇介紹，團隊未來計劃開發基於活體水凝膠的植入式生物電池，利用人體血糖作為持續能源，實現醫療設備的自供能運行。這一研究不僅體現了合成生物學與材料科學的交叉創新，也為環境友好的可持續能源技術的發展提供了新思路，在醫療植入設備和環境監測傳感器等領域展現出重要應用前景。

未來，研究團隊將通過優化菌種選擇、改進材料配方和精細調控電池結構等方式，進一步提升生物電池性能，推動該技術向實際應用轉化。