研究所廖强老师和杨杨老师在AFM发表题为《高可拉伸的植入式生物燃料电池》，该研究针对体内的极端运动工况，将高可拉伸的酶燃料应用于植入式电子设备，并对植入式酶燃料电池的生物相容性进行了最详细的研究。这为设计可植入酶燃料电池驱动可植入生物传感器和生物电子学提供了研究思路。

转载（重庆大学廖强教授团队AFM：高可拉伸的植入式生物燃料电池 (qq.com)）

在笔者小时候，有一部电影以一己之力，拉开了20世纪末的赛博朋克大幕，杀出了 21 世纪虚拟现实、人机交互的黎明，它就是《黑客帝国》。在人机战争中，为了断绝机器人的太阳能来源，人类遮蔽了天空，然而机器人找到了另一种能量载体——人体。于是，机器就将人体当作电池，成为机器文明的生存基石。

黑客帝国经典场景

回到在现实世界中，人体真的能用来当电池吗？答案是肯定是。植入式的酶燃料电池是一种以酶为催化剂，将人体体液中的葡萄糖直接转化成电能的发电装置，是一种极具应用前景的电源技术。不过，现有的植入式的酶燃料电池大多是刚性的，在人体运动过程中电池与人体组织力学性能失配会引起组织损伤和感染，电池使用寿命短等问题。因此，亟需一种生物相容性好，可拉伸的和柔性的酶燃料电池装置。

最近，重庆大学能源与动力工程学院廖强教授团队和重庆医科大学戴红卫教授团队合作采用静电纺丝技术开发了一种生物相容性好、高可拉伸、柔性的植入式的酶燃料电池。该电池在大鼠体内可经受拉伸、扭转和弯折等柔性工况，并在体内可稳定供能超过一周。

高可拉伸酶燃料电池的设计和力学性能

研究人员首先通过静电纺丝法制备生物相容性优异的热塑性聚氨酯橡胶（TPU）纤维纺织成的柔性可拉伸基底，并将共价结合的碳纳米管和葡萄糖氧化酶（GOx）混合物泵入TPU柔性基底的表面和内部构建了酶燃料电池生物阳极（TPU/CNT+GOx），用来催化体液中的葡萄糖。

酶燃料电池生物阳极的制备示意图

该电池阴极的制备流程与生物阳极类似，将铂/碳泵入到TPU柔性基底的表面和内部，用来催化体液中的氧气。单个植入式酶燃料电池装置采用紧凑的平面布置方式，将生物阳极和阴极放置在TPU基底两侧。

新制的电池拉伸强度可达5.7 MPa, 最大应变可达557.3％，满足植入人体皮下的需求（~0.5 MPa, ~50％），并且在反复拉伸和长时间放置条件下依然表现了优异的力学性能。

图a：植入式酶燃料电池装置示意图；图b：反复拉伸后的电池形变长度变化；图c：半年内装置的应力应变曲线

酶燃料电池的体外电化学性能

新制的酶燃料电池在5 mM葡萄糖溶液中的开路电压为0.575 V，最大的输出功率为57 μW cm^-2。通过计时电流法和电化学阻抗谱发现该电池在拉伸工况下性能保持稳定，电池的阻抗无明显变化。

图a：三周内电池的功率密度曲线；图b：拉伸工况下电池在0.2 V的电流响应；图c：拉伸工况下电池的阻抗

酶燃料电池的体内电化学性能

将该电池植入到大鼠皮下，在一周内电池的开路电压稳定在0.45 V左右。

图a-b：电池植入大鼠皮下的照片；图c：植入一周内电池的开路电压变化

在大鼠运动过程中，持续监测电池性能的变化，电池性能依然能保持稳定。

                                                 大鼠在运动过程中，持续监测电池性能

大鼠在运动过程中，电池在0.2 V的电流响应

酶燃料电池的生物相容性

通过全面的生物相容性研究（体重、植入部位的愈合过程及组织学图像、肝功能、肾功能、主要脏器组织学图像）表明植入电池后大鼠未见明显的局部炎症及全身异常。

植入电池后大鼠主要脏器的组织学图像

该研究针对体内的极端运动工况，将高可拉伸的酶燃料应用于植入式电子设备，并对植入式酶燃料电池的生物相容性进行了最详细的研究。这为设计可植入酶燃料电池驱动可植入生物传感器和生物电子学提供了研究思路。

参考文献：
Guan, S^#.; Wang J^#.; Yang Y*.; Zhu X.; Zhou J*.; Ye D.; Chen R.; Dai H., Liao Q*., Highly Stretchable and Flexible Electrospinning-Based Biofuel Cell for Implantable Electronic. Advanced Functional Materials 2023, 2303134.