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Angew. Chem. :酶驱动液滴生物电池为人工仿生组织供能2024-12-03
生命体的基本生物过程离不开能量的支持,因此科学家们一直努力探索将人造电源融入人体的可能性,期望在冠心病等疾病的治疗中发挥关键作用。然而,传统的固态电池因其刚性结构、潜在的有毒电解质,以及缺乏持续供能和生物相容性等问题,难以满足医疗需求。为了突破这一困境,科学家们从自然代谢中汲取灵感,提出了酶催化电池的概念。这种电池以葡萄糖和NADH等生物分子为燃料,理论上能够为生命体提供持续且稳定的能量供应。尽管酶催化生物电池具有广阔的应用前景,但其体内的稳定性、产能效率、尺寸以及生物相容性等方面仍需进一步的提升和优化。

与此同时,合成组织作为一种新型的生物材料,展现出了巨大的应用潜力。这种材料由牛津大学Hagan Bayley课题组于2013年首次设计提出,它由数十到数千个单分子磷脂层包裹的液滴囊泡组成,通过磷脂双分子层(DIBs)在微观尺度上构建了具有与组织具有类似空间结构和物理化学特性的三维液滴网络。每个液滴都类似于简化的细胞,能够在合成组织内部及与外部环境间交换物质和信息,这为构建复杂的合成组织提供了可能。

 

 

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近期,中山大学药学院(深圳)的刘娟副教授、英国牛津大学的张瑜伽研究员和Hagan Bayley教授共同合作,通过在合成组织中引入了酶催化组件,成功构建了一种具有高能量输出和稳定性的微米级类组织生物电池。该设计将氧化反应和酶催化的还原反应分别隔离于不同的液滴囊泡中,构建阳极和阴极。同时,通过在液滴囊泡间的DIBs中嵌入单价阳离子选择性gramicidin A(gA)通道,形成分子级别的质子交换膜,从而在微米级别的合成组织中实现了电池功能。

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测试结果显示,这款大小为0.7×0.7×1.4毫米³(由一对200纳升液滴组成)的酶驱动液滴生物电池能够产生最大约13000 pA的电流,其输出电流相比类似的光驱动电流生成装置提高了超过600倍。该电池能持续稳定地输出电流长达24小时,驱动带电分子在液滴网络中的定向运动和信号传导,为构建生物兼容的柔性生物电子器件提供了新的方法和视角。

文信息

Enzyme-Enabled Droplet Biobattery for Powering Synthetic Tissues

Juan Liu, Yujia Qing, Linna Zhou, Shaomeng Chen, Xuefei Li, Yujia Zhang, Hagan Bayley

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202408665

 

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