细菌造电池能精准调控神经血压
3D打印 硬币大小 可自充电
生物电池也被称为微生物燃料电池，是一种利用电活性微生物的代谢活动来发电的新型生物能源装置。这种“活体电池”具备超强的环境适应性和良好的生物相容性，在生理监测、植入式医疗设备供电、解决可持续能源供应等方面发挥了重要作用。随着技术的不断进步，通过对其进行微型化和便携化改造，微生物电池有望为智能手表、心脏起搏器等毫瓦级低功耗设备提供电力支持。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室研究员钟超团队联合中国科学院深圳先进技术研究院集成所神经工程中心研究员刘志远团队、深圳大学博士王任衡团队，利用3D打印活体水凝胶技术，成功研制出直径仅20毫米的微型便携式微生物燃料电池。这一微型便携式微生物燃料电池创新性地整合了生物电刺激装置，通过刺激神经元实现了对电生理和血压的精准调节，在疾病治疗方面有较大应用潜力。该研究推动了便携式生物器件的发展，拓展了活体能源材料的研究前沿。相关研究成果日前发表在国际期刊《先进材料》上。
生物电池实拍图。 受访者供图
生物电池性能优异
在此次研究中，研究团队基于希瓦氏菌，开发了一种创新的3D打印活体水凝胶材料。这种生物材料具有独特的弹性特性，借助3D打印技术，研究人员能够利用其构建出从一维到三维的复杂结构，包括精细的蜘蛛网状、叶片状等结构。
为了让微生物在装置内始终保持活性，研究人员精心设计了一套方案。他们先将处于溶液状态的微生物封装于藻酸盐水凝胶之中，随后向凝胶中又添加了纳米纤维素、氧化石墨烯。这一举措成效显著，材料的机械强度和导电性能均得到了大幅提升。
受传统锂电池制造技术启发，研究团队采用阴阳极分离的优化设计：以活体水凝胶作为阳极，含亚铁氰化钾的藻酸盐水凝胶作为阴极，通过3D打印技术制备出高性能电极结构，最终成功构建了一个直径仅20毫米的微型生物电池系统。
实验结果表明，这块微型电池可稳定输出450毫伏电压，并可以完成长达10次完整的“自充电—放电”供能循环。
钟超介绍：“在电池完成供能循环结束后，细菌存活率高达97%。即便连续运行100小时，细菌仍能保持90%以上的高存活率，这充分彰显了电池优异的生物相容性。”
进一步的性能测试表明，生物电池具有出色的循环稳定性，能量损失极低，同时完全避免了传统电池中钴、锂等稀缺金属以及有毒电解质的使用，在环保方面具有显著优势。尽管目前其能量密度为0.008瓦时每升、功率密度为8.31微瓦每平方厘米，与商业锂离子电池相比仍存在一定差距，但已基本能够满足低功耗设备的供电需求。
瞄准瞬时刺激新场景
“研究需要突破‘纸面创新’，找到切实可行的应用场景。”研究论文第一作者王新宇介绍，尽管生物电池的技术概念新颖，但受细菌活性等因素的制约，生物电池在需要持续稳定供电的场景中难以发挥优势，这成为其广泛应用的一大阻碍。
基于生物电池的这些特性，团队瞄准了瞬时神经刺激这一精准医疗领域。他们通过集成电容器系统，实现了对电能的精准调控，成功开发出一套适用于神经调控的生物电池应用方案。
大鼠坐骨神经刺激实验结果显示，随着生物电池输出强度的梯度增加，诱发的动作电位和肌电信号幅度呈现显著剂量依赖性增强。
此外，通过调节生物电池的输出，大鼠的血压也出现明显下降，收缩压降低23.5%，舒张压降低18.7%。当刺激停止后，大鼠的血压自主恢复基线水平。
这些数据不仅验证了生物电池在神经干预治疗中的有效性，更揭示了其独特优势——细菌代谢的自然波动特性与瞬时神经刺激的需求高度契合，为高血压等疾病的精准神经调控提供了创新解决方案。
王新宇介绍，团队未来计划开发基于活体水凝胶的植入式生物电池，利用人体血糖作为持续能源，实现医疗设备的自供能运行。这一研究不仅体现了合成生物学与材料科学的交叉创新，也为环境友好的可持续能源技术的发展提供了新思路，在医疗植入设备和环境监测传感器等领域展现出重要应用前景。
未来，研究团队将通过优化菌种选择、改进材料配方和精细调控电池结构等方式，进一步提升生物电池性能，推动该技术向实际应用转化。
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