CN113013459A

CN113013459A - 一种具有高度生物相容性的可植入生命体能源发电系统

Info

Publication number: CN113013459A
Application number: CN201911317114.8A
Authority: CN
Inventors: 王磊; 朱之光; 康泽朋; 张晶; 李泽华; 马旭
Original assignee: Institute Of Science And Technology National Health Commission; Tianjin Institute of Industrial Biotechnology of CAS
Current assignee: Institute Of Science And Technology National Health Commission; Tianjin Institute of Industrial Biotechnology of CAS
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2039-12-19
Also published as: CN113013459B

Abstract

本申请提供了体外生物燃料电池嵌入式供电系统，包括底腔、发电腔、阳极、阴极、隔膜等部件，其中阳极通过以二茂铁和壳聚糖基体将葡萄糖氧化酶固定在聚苯胺/氧化石墨烯制备而成。本发明的体外生物燃料电池嵌入式供电系统具有高度生物相容性、高功率、长寿命的特点。

Description

一种具有高度生物相容性的可植入生命体能源发电系统

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体地本发明提供了一种可植入生命体能源发电系统，包括底腔、发电腔、阳极、阴极部件，底腔设有微孔，发电腔与底腔相通，发电腔设有电极出口等，其中阳极通过以二茂铁和壳聚糖基体将葡萄糖氧化酶固定在聚苯胺/氧化石墨烯制备而成。

背景技术

植入式医疗电子设备（IMEs, implantable medical electronics），如心脏起搏器，助听设备，体内传感器，体内药物释放设备，是近年来学术界、医学界和产业界的热门研究方向。目前大多数IMEs都由锂电池进行供能，锂电池续航能力有限，需要充电；需要占据较多的体积和重量；且不具备生物相容性，存在泄漏或爆炸等风险。

为解决该问题，已经设计了一些利用摩擦、压电方式进行IMEs自供电的设备，例如，王中林院士和李舟研究员领导的研究团队生物设计的植入式纳米发电机利用摩擦发电已经实现了猪体内的实际运行。然而，这些设备一方面由于机械运动部件的存在，故障概率偏高；另一方面，由于需要稳定的机械运动提供能量，这些设备适用范围有限，在体内很多部位，如颅内，腹腔内并不适用。

酶生物燃料电池（EBFC）是一种新型的生物电子设备，能够将底物燃料中的化学能，通过生物酶的催化反应，转化为电能。底物燃料在阳极被酶氧化，生成产物留在阳极，质子转移到阴极，电子通过电子介质或直接传递至阳极，再经外置电路产生电能。在上述不适用摩擦、压电方式进行IMEs自供电的部位中，往往存在大量含有葡萄糖，蛋白，尿素等成分的体液可供酶生物燃料电池利用。酶生物燃料电池不仅有燃料和部位适用范围广的优点；而且能量密度高，以糖类底物为例，其完全氧化所释放的能量为3600 mAh/g；此外安全性和生物相容性也优于其他自发电方式。目前，酶生物燃料电池的电压一般为0.5-0.8 V，电流可达 mA级。酶生物燃料电池被认为在军事安全、医药健康、环境/食品检测等领域有着广泛的应用潜力，例如，未来可将酶生物燃料电池与可穿戴电子设备偶联，利用皮肤汗液等中得葡萄糖、乳酸发电，驱动可穿戴设备；亦可将酶生物燃料电池置于活体动物体内，利用血糖产生电量，为心脏起搏器、细胞信号感受器、乃至微型计算机、微型机器人设备等电子装置供电。

目前植入式酶生物燃料电池的实际实验多在动物如虾蟹、蜗牛、老鼠等中进行，且多为概念验证，需外接导线与检测器相连，而非真正的植入在体内驱动电子设备的应用。且由于寿命、功率、体积的制约，应用范围受限，尚有很大的改进空间。

发明内容

针对上述酶生物燃料电池发现现状，申请人设计了一种高生物相容度的酶生物电池，采用平行式或堆叠型设计、适合的酶固定化策略和阴极阳极制备方法获得了高的输出功率和使用寿命。

一方面，本发明提供了一种可植入生物燃料电池供电系统，包括底腔、发电腔、阳极、阴极，底腔设有微孔，发电腔与底腔相通，发电腔设有电极出口。

进一步地，其还包括分隔阳极和阴极的隔膜。

进一步地，其中电极材料为碳基材料。

进一步地，其中电极表面有修饰层。

进一步地，其中阳极上固定有糖氧化酶，阴极上固定有氧气还原酶。

进一步地，其中所述糖氧化酶为选自葡萄糖氧化酶、葡萄糖脱氢酶、葡萄糖6磷酸脱氢酶、心肌黄酶中的一种或多种。

进一步地，其中阳极上还固定有辅酶和/或电子介质。

进一步地，其中辅酶为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸或NAD(P)。

进一步地，其中所述阳极的制备过程包括：（1）PANI/GO的制备；（2）PANI/GO高温碳化；（3）使用二茂铁和壳聚糖基体固定葡萄糖氧化酶。

具体地，其中步骤（3）具体包括：（3-1）以聚乙烯吡咯烷酮水溶液配制碳化PANI/GO的悬浊液；（3-2）以PBS配制葡萄糖氧化酶溶液；（3-3）配制二茂铁水溶液；（3-4）配制壳聚糖醋酸溶液；（3-5）将（3-1）、（3-2）、（3-3）、（3-4）配制的液体混匀后涂于玻碳电极上。

具体地，其中（3-1）以1 mg/mL的聚乙烯吡咯烷酮水溶液配制10 mg/mL的碳化PANI/GO悬浊液；（3-2）中以pH 4.0的PBS配制葡萄糖氧化酶溶液；（3-3）中二茂铁水溶液浓度为20 mg/mL；（3-4）中壳聚糖醋酸溶液浓度为0.5%，pH为5.0；（3-5）中（3-1）、（3-2）、（3-3）、（3-4）配制的液体等体积混匀。

具体地，其中（3-2）中的葡萄糖氧化酶溶液浓度为10mg/mL。

具体地，其中（3-5）中液体混匀后的葡萄糖氧化酶终浓度为2.5mg/mL

另一方面，本发明提供了上述可植入生物燃料电池供电系统可在植入式医疗电子设备中应用。

电池还可以包括高分子聚合物、硅树脂、凝胶等绝缘材料组成的底座与外壳。

电池的底腔的微孔，可让小分子底物通过，而大分子和细胞等无法通过，可以通过粘贴、静电吸附、手术固定等已知方式固定于生物体上

电池的发电腔与底腔相通，可以通过粘贴，卡接等方式固定于底腔上。

电池的电路可以根据需要包括有升压电荷泵等调节元件。

电池的阳极材料包括采用碳基材料制备的基板，包括但不限于碳布、碳毡、活性碳布等，以及其他柔性电极材料或可降解导电材料等。

电池的阳极表面可被其他材料修饰，包括但不限于碳黑、碳纳米管、石墨烯、聚苯胺/氧化石墨烯（PANI/GO）等，以增大表面积。

所述糖氧化酶选自葡萄糖氧化酶、葡萄糖脱氢酶、葡萄糖6磷酸脱氢酶、心肌黄酶、乳酸氧化酶、抗坏血酸氧化酶、尿酸酶的一种或多种。

电池的电极上固定的辅酶为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NAD(P)，电子介质可根据需要选用维生素K3，亚甲基绿、蒽醌2，6二磺酸钠、2，2联氮双（3乙基苯并噻唑啉6磺酸）等。

所述隔膜为萘酚膜等离子交换膜或纤维素膜。

电池的阴极材料包括采用碳基材料制备的基板，包括但不限于碳布、碳毡、活性碳布等，以及其他柔性电极材料或可降解导电材料等。

所述阳极的制备过程与上述阳极制备类似，使用的酶为漆酶或胆红素氧化酶。

电池的阴极上可做一定的疏水化处理，可同时实现酶的固定以及气相界面的氧气供应，从而大幅提高阴极反应速度。

酶固定方法可选本领域已知的各种方法，包括但不限于物理吸附、共价结合、包埋、交联、复合固定等。

电池的阴阳极上可以包括集流体，利用导电粘合剂与阴阳极连接。

本申请的电池可以使用堆叠式（即阳极和阴极堆叠摆放，中间有分隔膜，阳极和阴极各自通过导体与外电路连接），也可以使用平行式设计（即阳极和阴极并列摆放，中间有间隔，阳极和阴极各自通过导体与外电路连接）。

本申请的电池可用于各种植入设备或可穿戴设备，包括但不限于心脏起搏器，助听设备，体内传感器，体内药物释放设备，可穿戴传感器，可穿戴通信/娱乐设备。

置于体内时，本申请的电极、电池可用于各种有适合体液的部位，包括但不限于心脏、腹腔、颅内、口腔内、血管周边等。

与现有技术相比，本发明的酶生物电极采用高生物相容度的柔性材料，可以利用葡萄糖、乳酸、抗坏血酸、尿酸、肌酐等多种成分作为燃料，适用范围广泛。并且通过适合的酶固定方法提高输出功率和使用寿命。

附图说明

图1为本发明可植入生物燃料电池供电系统的立体外观示意图；其中（1）为发电腔，（2）为底腔，二者内部相通，发电腔上有2个电极的出口，底腔上有微孔，可选择性的让小分子底物通过；

图2为并列式EBFC示意图，其中（1）阳极酶；（2）阴极酶；（3）阳极；（4）阴极；（5）隔膜；（6）集流体；（7）导线；

图3为堆叠式EBF示意图，其中（1）阳极酶；（2）阴极酶；（3）阳极；（4）阴极；（5）隔膜；（6）集流体；（7）导线；

图4为PANI@GO复合材料合成步骤示意图；

图5中（A）为CS/PANI1600@Gr/Fer/GOxx电极在含有5 mM葡萄糖0.1 M PBS（pH 7.0）中的CV曲线；（B）为CS/PANI1600@Gr/Fer/GOx10电极在0.1 M PBS（pH 7.0）中对葡萄糖催化的CV曲线；测试体系：三电极体系，Ag/AgCl为参比电极，Pt片为辅助电极，扫速为10 mVs^-1；

图6中（A）为CS/PANI1600@Gr/Fer/GOx10电极在0.1 M PBS（pH 7.0）中对不同葡萄糖浓度下的时间-电流（i-t）曲线；（B）为该电极响应电流与葡萄糖浓度的拟合曲线，方程为Y=-0.4533X ²+2.8847X+0.4744

图7中（A）为CS/PANI1600@Gr/Fer/GOx10电极在含有5 mM葡萄糖的0.1 M PBS（pH 7.0）中的极化曲线和功率拟合曲线及（B）为稳定性测试结果；（C）为CS/PANI1600@Gr/Fer/GOx10电极在牛血清中的极化曲线和功率拟合曲线；测试体系：三电极体系+LSV，Ag/AgCl为参比电极，Pt片为辅助电极，扫速为5 mVs^-1；（D）为完整葡萄糖燃料电池功率曲线，阳极：CS/PANI1600@Gr/Fer/GOx10，阴极：CS/PANI1600@Gr/BOD，测试方法为外接电阻法。

具体实施方式

以下部分中以实施例的方式进一步展示本发明的技术方案。本发明的保护范围由权利要求书限定，实施例并非对本发明保护保护范围的限制，在实施例的基础上做出的常规变化和替换也在本发明的保护范围之内，本发明中不对这些常规变化和替换进行穷举。

实施例1可植入生物燃料电池供电系统结构

可植入生物燃料电池供电系统结构如图1、2、3所示，包括：底腔、发电腔、隔膜、阳极、阴极、酶等部件。

所述底腔固定于生物体上。所述底腔下部连通生物体，且所述底腔开有通孔。

所述发电腔连接于所述底腔的上方，且所述发电腔下部连通所述底腔。

所述隔膜将所述阳极和阴极隔离开，二者不可接触。所述隔膜为萘酚膜等离子交换膜或纤维素膜。

所述阳极和阴极设于所述发电腔内。同于现有技术，所述阳极和所述阴极接触生物体的血液、体液、组织液等。电极上的酶可于底物反应，产生电流。所述阴极和所述阳极分别通过导线连接至一外部电路（图1上未示出），所述外部电路用于输出电流，其中设置用电元件。比如，所述用电元件为一LED灯。

实施例2EBFC电极的制备

1）PANI/GO的制备

a、苯胺单体在使用前通过减压蒸馏的方法提纯，分装避光保存；

b、取提纯后的苯胺单体溶液0.373 g和0.105 g的氧化石墨烯（GO）超声分散于80 mL 1M H₂SO₄水溶液中，搅拌均匀后待用；

c、取1.14 g的过硫酸铵（APS）溶解于80 mL 1 M H₂SO₄水溶液中，搅拌均匀后待用；

d、将APS溶液缓慢加入到b步骤溶液中，全程磁力搅拌，然后将混合溶液静置室温下24h；

e、将上述混合液离心分离，得到的沉淀物用大量去离子水和无水乙醇清洗，然后将其放置60℃烘箱内24 h，得到黑色固体产物PANI@GO。

合成步骤示意图如图5所示。

2）PANI1600/Gr的制备

将PANI@GO复合材料在高温管式炉下进行碳化，碳化通过匀速升温（5 ℃·min^-1）到目标温度1600 ℃，恒温3 h，得到的产物记作PANI1600@Gr。

3）葡萄糖氧化酶修饰电极的制备方法

a、配制10 mg/mL的PANI1600@Gr悬浊液，溶剂用1 mg/mL的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）水溶液；

b、配制5，10，15，20 mg/mL 的葡萄糖氧化酶（GOx）溶液，溶剂用PBS（pH 4.0）；

c、配制20 mg/mL的二茂铁水溶液；

d、配制0.5%的壳聚糖醋酸水溶液（CS），用NaOH调至pH 5.0；

e、GOx膜电极配比：10 uL a溶液+10 uL b液+10 uL 的d溶液，混匀，超声分散5 min；上述溶液分别加10 uL的各种b溶液，混匀；取6 uL的GOx混合溶液滴涂到直径为3 mm玻碳电极上，4 ℃静置过夜；随后研究不同配比下GOx膜电极的电化学性能（GOx终浓度：1.25、2.5、3.75、5 mg/mL）。

修饰好的电极简写为CS/PANI1600@Gr/Fer/GOxx，x代表GOx浓度。

实施例3 堆叠式葡萄糖氧化酶EBFC的性能测试

图5（A）为CS/PANI1600@Gr/Fer/GOxx电极在含有5 mM葡萄糖0.1 M PBS（pH 7.0）中的循环伏安曲线（CV），由图可知，在电化学扫描窗口内，四种GOx修饰电极均在~0.2 V处出现氧化峰，随着GOx浓度的增加电极电流程先增大后减小的趋势，且最大电流的电极为CS/PANI1600@Gr/Fer/GOx10。图5（B）为CS/PANI1600@Gr/Fer/GOx10电极在含有5 mM葡萄糖和不含葡萄糖电解液中CV曲线，由图可知，在电解液不含葡萄糖时电极（蓝线）在~0.2 V处出现一对氧化还原峰，是由电子中介体二茂铁引起；当电解液含有5 mM葡萄糖时电极（红线）在~-0.05 V处电流开始增大，说明该电极对葡萄糖具有很好的电催化性能。结合图3（A），当GOx浓度过低时（5 mg/mL），由于酶量不足导致催化电流偏低，而当GOx浓度偏高时（15、20mg/mL），由于酶量过多从而影响电子传递及葡萄糖传质，导致催化电流降低，因此，GOx最优修饰电极为CS/PANI1600@Gr/Fer/GOx10。

图6为电极CS/PANI1600@Gr/Fer/GOx10在0.1 M PBS（pH 7.0）中对不同葡萄糖浓度下的时间-电流（i-t）曲线，由图可知，随着电解液中葡萄糖浓度的增加，电流响应曲线呈现阶梯形状，说明该电极对葡萄糖具有良好的生物传感性能，葡萄糖的最低检测限为0.0066 mM，检测范围为0.12-3.18 mM，灵敏度为23.662 uAmM^-1cm^-2。

图7（A）是电极CS/PANI1600@Gr/Fer/GOx10在含有5 mM葡萄糖0.1 M PBS（pH 7.0）中的极化曲线和功率拟合曲线，工作电极集流体为1 cm2的碳粘，酶负载量为400 μLcm^-2GOx混合液。由图可知，该电极的最大电流为1.58 mAcm^-2，最大功率密度为0.246 mWcm^-2。图7（B）为该电极稳定性测试，测试周期为4周，第1周每天测试一次，后3周为每周测试一次，不测时电极储存在4℃0.1 M PBS（pH 7.0）环境中，由图可知，电极在第1周功率保持初始功率的95%以上，在第2、3周功率保持在90%以上，在第4周功率为初始功率的88%。图7（C）为该电极在牛血清中的极化曲线和功率曲线，从图中可以看出，该电极的最大电流为1.02 mAcm^-2，最大功率密度为0.091 mWcm^-2，说明该电极具有实际应用价值。图7（D）为完整葡萄糖燃料电池功率曲线，阳极为4 cm²碳粘+1.6 mL GOx膜混合液，阴极为4 cm²碳粘+1.6 mL胆红素氧化酶（BOD）膜混合液，阴极酶膜混合液配制过程同阳极酶膜混合液。由图可知，该电池在外电阻100 Ω时达到最大功率密度，为0.124 mWcm^-2。

本申请的电极/电池在灵敏度和功率密度指标上明显超过现有类似产品如CN200910053866、CN201410054615、CN201610081227，而且经过进一步修饰等改进后有望进一步提高，有良好的应用潜力。

Claims

1.一种可植入生物燃料电池供电系统，包括底腔、发电腔、阳极、阴极，底腔设有微孔，发电腔与底腔相通，发电腔设有电极出口。

2.根据权利要求1的可植入生物燃料电池供电系统，其还包括分隔阳极和阴极的隔膜。

3.根据权利要求1或2的可植入生物燃料电池供电系统，其中电极材料为碳基材料。

4.根据权利要求3的可植入生物燃料电池供电系统，其中电极表面有修饰层。

5.根据权利要求1-4任一项的可植入生物燃料电池供电系统，其中阳极上固定有糖氧化酶，阴极上固定有氧气还原酶。

6.根据权利要求5的可植入生物燃料电池供电系统，其中所述糖氧化酶为选自葡萄糖氧化酶、葡萄糖脱氢酶、葡萄糖6磷酸脱氢酶、心肌黄酶中的一种或多种。

7.根据权利要求5或6的可植入生物燃料电池供电系统，其中阳极上还固定有辅酶和/或电子介质。

8.根据权利要求7的可植入生物燃料电池供电系统，其中辅酶为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸或NAD(P)。

9.根据权利要求5-8任一项的可植入生物燃料电池供电系统，其中所述阳极的制备过程包括：（1）PANI/GO的制备；（2）PANI/GO高温碳化；（3）使用二茂铁和壳聚糖基体固定葡萄糖氧化酶。

10.根据权利要求1-9任一项的可植入生物燃料电池供电系统可在植入式医疗电子设备中应用。