张瑜伽博士
生物集成设备的运行需要电源。尽管为大规模目标提供电源的技术已被广泛应用，如电池的有线能源供应或无线能量传输，但在微观尺度上有效刺激细胞和组织的需求仍然十分迫切。理想的微型电源应具有生物兼容性、机械灵活性，并能产生离子电流以刺激生物，而不是像传统电子设备那样使用电子流。其中一种方法是使用受电鳗启发的软电源；然而，目前还没有生产出兼具所需功能的电源，因为要获得既能在使用前保存所含能量，又能轻松触发以产生能量输出的微型装置具有挑战性。
鉴于此，牛津大学Hagan Bayley教授、Ming Lei博士和张瑜伽博士（一作兼通讯）通过沉积由脂质支撑的纳升水凝胶液滴网络，利用内部离子梯度产生能量，开发出一种微型软电源。与最初的鳗鱼启发设计（2023年的nature）相比，该方法可以将动力装置的体积缩小105倍以上，而且可以储存能量超过24小时，从而可以按需运行，功率密度提高了680倍，达到约1300Wm-3。本文的液滴装置可作为生物相容性和生物离子电流源，用于调节三维神经微组织和体外小鼠脑切片中的神经元网络活动。最终，软性微尺度离子电子装置可能会集成到生物体内。相关研究成果以题为“A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity”发表在最新一期《Nature Chemical Engineering》上。
值得一提的是，张瑜伽博士曾在2023年，以第一作者兼通讯作者的身份，以“A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity” 为题在《Nature》上发表了一篇论文。他们受电鳗发电启发，开发了一种微型“液滴水凝胶电池”，通过水凝胶液滴之间的离子梯度来产生能量，可用于为集成到人体组织中的微型设备供电。这项工作解决了如何将柔软的生物相容性设备产生的刺激与活细胞耦合的重要问题。对生物混合接口、植入物和微型机器人等设备的潜在影响是巨大的。
【LiDB的设计和性能】
作者介绍了一种基于脂质支持的丝水凝胶液滴的微型锂离子液滴电池（LiDB），旨在作为生物医学应用的柔软、灵活的电源。LiDB的设计采用了脂质封装的液滴，可自组装，形成阴极、隔膜和阳极单元。图1图像支持结构和材料描述，显示了液滴形成过程、激活机制和电极配置。主要设计特点包括：（1）液滴自组装：利用脂质单层形成稳定的液滴界面双层（DIB），防止激活前的离子交换。（2）丝水凝胶作为支架：丝水凝胶保持柔韧性，并在紫外线交联时支持锂离子(Li+)传导，从而打破脂质屏障并启动电池的电化学功能。（3）材料成分：正极包含锰酸锂（LiMn2O4）和碳纳米管（CNT），负极由钛酸锂（Li4Ti5O12）和CNT制成。含有氯化锂(LiCl)的分离液滴完善了LiDB结构。
图1.LiDB的设计
循环伏安法和充放电循环等实验数据确定了LiDB的输出稳定性和容量，如图2所示。值得注意的是，LiDB在50个周期后保留了72%的容量，并且其设计允许扩展。放电容量和体积容量根据电流而变化，突出了对微型设备的各种功率需求的适应性。
图2.LiDB的电化学特性
【带电分子易位的无拴激活】
LiDB功能的一个重要方面是，它能够利用液滴网络内产生的电场，在没有物理连接的情况下为带电分子的转移提供动力。在本研究中，通过带电荧光分子的电泳移动来演示易位，这些荧光分子被转移到合成细胞中。图3展示了平移装置和观察到的分子运动，其中有几个关键点：合成细胞和转换液滴：为了连接从LiDB到离子流的电子流，聚（2,3-二氢噻吩-1,4-二恶英）-聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT)作为氧化还原材料添加到转换器液滴中。荧光分子迁移：荧光阳离子吡罗宁Y和阴离子MANT-dATP的移动说明了离子从LiDB到靶细胞的有效转运。液滴之间的荧光比率证实了分子的定向转移。液滴界面双层膜（DIB）的影响：通过在DIBs中嵌入α溶血素蛋白，该研究创造了孔隙，在保持液滴分隔的同时促进了离子转移。这种无拴功能对生物医学应用（如合成组织内的药物输送）具有重大意义，因为它可以在没有侵入性布线的情况下实现精确的电场驱动传输。
图3.LiDB驱动的带电分子易位
【用锂电池对小鼠心脏进行体外除颤】
LiDBs 展示了通过低能量除颤恢复正常心律的能力，可有效发挥微型除颤器的作用。当 LiDB 直接接触 Langendorff 灌注的小鼠心脏时，可调节心跳，而不会对组织健康产生不利影响。图 4 重点介绍了实验装置、心电图结果以及 LiDB 对心律的影响：水凝胶液滴牢固地粘附在心外膜上，确保电击传递时的稳定接触（直接接触和粘附）。化验证实，当 LiDB 接触心脏组织时，细胞存活率高，生物相容性好，细胞毒性极低（生物相容性和刺激）。图 4 中的心电图数据表明，与传统除颤器相比，LiDB 能以最小的电流稳定心律失常后的心律。产生的电击可暂时覆盖自然起搏，使心律恢复正常。作者展示了 LiDB 在心脏领域的应用潜力，特别是在微型设备中进行局部非侵入性心脏调节的潜力。
图4.LiDB离体小鼠心脏刺激
【磁性操纵LiDB】
LiDB的创新之处在于与磁性粒子的结合，允许在外部磁场下进行远程控制和操纵。图5展示了LiDB推进的各个阶段，重点是磁性镍（Ni）集成：在分离器液滴中加入镍粒子可实现磁控制，而不会影响LiDB的电化学输出。磁场可引导LiDB从油相到水相，模拟该装置在生物组织或合成构造中可能遇到的环境（跨相操纵性）。LiDB的可操作性使其能够将储存的电荷输送到指定电极，从而有效地充当可充电的“移动电池”。经过多次循环后，电荷仍能保持，这加强了这种机制在潜在体内应用中的稳健性（能量信使角色）。锂电池的可移动性表明，它在有限空间（如小型合成通道或生物通道）中的定向能量输送和操纵方面有着重要的应用前景。
图5.LiDB的磁推进和转向
【总结】
在这项研究中，一种微型软锂离子电池是由纳升级水凝胶液滴自组装而成的。由此产生的锂离子电池可通过紫外线交联实现按需活化，单位体积比以前的装置低103倍以上，并能以更高的密度储存能量。由10 nl液滴制成的LiDB的输出能量密度约为46 μWh cm-2，瞬间输出功率密度约为10 μW cm-2，足以满足纳瓦级功率预算的设备需求。蚕丝水凝胶具有理想的特性，包括弹性、锂离子传导性、生物相容性和生物可降解性，因此使用蚕丝水凝胶有助于取得这些成果。锂电池可以与合成组织连接，驱动带电分子转移，也可以与心脏组织连接，调节心脏活动。水凝胶液滴结构还允许添加模块，例如允许磁性可操作性的模块，这可能使LiDB为体内应用的微型机器人提供动力。
洛桑联邦理工学院张瑜伽课题组现正招收硕士研究生，全奖博士研究生和博士后，研究方向为：1. 软材料（水凝胶）先进加工工艺；2. 离子电子器件（iontronics）和系统；3. 生物接口与类器官（organoids）。
有意者请将Cover letter和个人简历发送至：
yujia.zhang@epfl.ch。
来源：高分子科学前沿
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