Nature：師法自然！新型“水凝膠液滴電池”問世！

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導(dǎo)讀

電鰻是一種可以放電的生物，主要分布于南美洲的亞馬遜河和圭亞那河地區(qū)。成年電鰻輸出的電壓可達(dá)300-800 V，產(chǎn)生足以將人擊昏的電流，是放電能力最強(qiáng)的淡水魚類，被稱為 “水中高壓線”。

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成果簡介

本文作者受電鰻發(fā)電啟發(fā)，通過沉積脂質(zhì)支持的納升水凝膠液滴網(wǎng)絡(luò)來開發(fā)一種小型化軟電源，該水凝膠液滴使用內(nèi)部離子梯度來產(chǎn)生能量。與最初受鰻魚啟發(fā)的設(shè)計相比，該方法可以將動力單元的體積縮小10倍以上，并且可以存儲能量超過24小時，實(shí)現(xiàn)按需運(yùn)行，功率密度提高680倍，約為1300 W m?3。相關(guān)工作以“A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity”為題發(fā)表在Nature上。

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關(guān)鍵創(chuàng)新

1、本文受電鰻發(fā)電啟發(fā)，開發(fā)了一種微型“液滴水凝膠電池”，通過水凝膠液滴之間的離子梯度來產(chǎn)生能量，功率密度達(dá)到約1300 W m?3。

2、該液滴裝置可以作為生物相容性和生物離子電流源來調(diào)節(jié)三維神經(jīng)微組織和離體小鼠腦切片中的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)活動。最終，該軟微型離子電子設(shè)備可能會集成到生物體中。

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核心內(nèi)容解讀

圖1液滴電源的結(jié)構(gòu)和輸出性能。a–c、通過沉積水凝膠液滴形成的動力裝置的制造工藝；d、液滴動力單元形成過程的明場圖像；e、輸出開路電壓(VOC)；f，在形成連續(xù)水凝膠網(wǎng)絡(luò)之前，歸一化VOC和單個功率單元的平均液滴直徑隨在油中不同儲存時間長度的變化。@The Authors

電鰻的發(fā)電能力依賴于成千上萬的電細(xì)胞串聯(lián)堆疊，其中陽離子Na+和K+可以在濃度梯度的驅(qū)動下，單向通過細(xì)胞膜上的離子選擇蛋白通道。研究者通過將5個納米水凝膠(瓊脂糖)液滴按順序組合，模擬了鰻魚電器官的總體布局和機(jī)制。在單個單元中，液滴的順序是：高鹽(例如CaCl2、KCl或NaCl)、陽離子選擇性、低鹽選擇性、陰離子選擇性和另一個高鹽液滴。用電子顯微注射器將它們沉積在含脂油中。液滴最初被單層脂質(zhì)包圍，這些單層脂質(zhì)在相互接觸后幾秒鐘內(nèi)形成液滴界面雙層(DIBs)，從而形成穩(wěn)定的無支撐結(jié)構(gòu)。為了激活電源，將組裝好的液滴移動到無脂油中以去除脂質(zhì)并拆卸DIBs。然后將液滴在4℃下凝膠化，形成連續(xù)的水凝膠結(jié)構(gòu)。這使得離子可以穿過導(dǎo)電水凝膠，從兩端的高鹽液滴移動到中間的低鹽液滴。通過將末端液滴連接到電極，離子梯度釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能，使水凝膠結(jié)構(gòu)能夠充當(dāng)外部組件的電源。在研究中，激活的液滴電源產(chǎn)生持續(xù)超過30分鐘的電流。由50納升液滴組成的單元的最大輸出功率約為65nW。這些設(shè)備在存放36小時后產(chǎn)生了相似的電流量。

圖2液滴體積對液滴電源電學(xué)特性的影響。a、初始(t = 0) VOC和ISC值。低于100 nl的液滴體積是根據(jù)顯微鏡測量的直徑計算的；b、計算不同液滴體積的單個功率單元的功率密度和總釋放電荷。動力源的體積和長度是單個液滴體積和直徑的五倍；c、歸一化VOC、ISC和串聯(lián)和/或并聯(lián)形成液滴網(wǎng)絡(luò)的功率單元的總釋放電荷。@The Authors

使用脂質(zhì)支持的水凝膠液滴構(gòu)建軟電源的優(yōu)點(diǎn)之一是易于小型化。將液滴體積從1000nl減少99.8%至1.84nl，導(dǎo)致輸出電壓（36%，從136 mV減少至87 mV）和電流（70%，從2.7μA減少至0.83μA）。盡管小型化電源的總釋放電荷較低，但作者可以串聯(lián)和并聯(lián)組合多個電源單元以增加輸出電壓和電流。VOC隨著串聯(lián)單元數(shù)量的增加而增加，ISC和總釋放電荷隨著并聯(lián)單元數(shù)量的增加而增加。

圖3模板輔助液滴網(wǎng)絡(luò)制造和輸出。a-b、大型圖案化電源網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)備；c，具有多個液滴六邊形的模具的明場圖像。每個液滴的體積約為4 nl。比例尺，600 μm；d，放大單個六邊形層。比例尺，200 μm；e，堆疊7個和28個功率單元。標(biāo)尺，600 μm；f，經(jīng)過四步順序沉積到螺旋模具中，液滴自組裝成一系列動力單元；g-h，連接二十個動力單元(g；標(biāo)尺，1.2 mm)以產(chǎn)生足以點(diǎn)亮紅色發(fā)光二極管(h)的輸出電壓。@ The Authors

為了擴(kuò)大小液滴的組裝規(guī)模以適應(yīng)更大規(guī)模的應(yīng)用，作者采用了模板方法，將多個液滴沉積到三維打印的樹脂模具中，以生產(chǎn)預(yù)先設(shè)計圖案的動力單元。作者在螺旋模具中串聯(lián)組裝了20個五液滴單元。螺旋電源可以點(diǎn)亮發(fā)光二極管。

圖4離子液滴裝置誘導(dǎo)的神經(jīng)元調(diào)節(jié)。a、用于通過從液滴設(shè)備產(chǎn)生離子電流來調(diào)節(jié)神經(jīng)元活動的觸發(fā)策略；b，由細(xì)胞內(nèi)Fluo-4熒光反映的離子電流調(diào)節(jié)的神經(jīng)元活動；c、輸出液滴裝置穿過低鹽液滴；d，不同時間點(diǎn)的幀，顯示包埋在液滴中的神經(jīng)元；f、不同培養(yǎng)期后和小鼠離體腦切片中神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的熒光中心在90秒內(nèi)的相對位移。@ The Authors

隨后，作者演示了如何將活細(xì)胞附著在該裝置的一端，以便它們的活動可以直接受到離子電流的調(diào)節(jié)。研究小組將該裝置附著在含有人類神經(jīng)祖細(xì)胞的液滴上，這些液滴已被熒光染料染色以表明其活性。當(dāng)電源打開時，延時記錄顯示神經(jīng)元中由局部離子電流誘導(dǎo)的細(xì)胞間鈣信號波。

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成果啟示

通過利用離子梯度，本文開發(fā)了一種液滴水凝膠電池，可實(shí)現(xiàn)約1300 W m?3的功率密度。未來的研究應(yīng)側(cè)重于在生理?xiàng)l件下利用該電池裝置并提高整體能量容量，從而可用于為下一代生物混合界面、植入物、合成組織和微型機(jī)器人提供動力。液滴裝置也為調(diào)節(jié)各種小型細(xì)胞結(jié)構(gòu)(如腦類器官和組裝體)的活性鋪平了另一條道路。