美國喬治亞理工學(xué)院和韓國高麗大學(xué)的研究人員用組裝在棉纖維上的金納米顆粒制造了高導(dǎo)電性電極，提高了生物燃料電池的效率，將葡萄糖氧化酶與電極連接起來，解決了限制生物燃料電池性能的主要挑戰(zhàn)之一。這種電池提供的能量是傳統(tǒng)生物燃料電池的兩倍，可以與電池或超級電容器搭配使用，為心臟起搏器和傳感器等可植入醫(yī)療設(shè)備提供動力。這項研究的結(jié)果近日發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

“我們可以把這個裝置作為一個連續(xù)的能量源，將體內(nèi)葡萄糖的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，用于制造金電極的逐層沉積技術(shù)精確地控制了金納米顆粒和酶的沉積，極大地提高了燃料電池的功率密度，可達(dá)3.7毫瓦每平方厘米?！眴讨蝸喞砉W(xué)院伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院的助理教授Seung Woo Lee說。

棉纖維由多條親水性微纖維（含有羥基的纖維素纖維）組成，研究人員將直徑約8nm的金納米顆粒用有機(jī)鏈接材料組裝到了多孔的棉纖維上，用葡萄糖氧化酶與胺功能化小分子TREN交替進(jìn)行分層形成氧化葡萄糖的陽極，用具有電催化能力的鍍金電極形成發(fā)生氧還原反應(yīng)的負(fù)極?！拔覀兙_地控制了酶的含量，制造了一個非常薄的疊層，從而改善了導(dǎo)電底物和酶之間的電荷傳輸。我們已經(jīng)在材料之間建立了非常緊密的聯(lián)系，所以電子的傳輸會更容易?！盠ee說。

與尼龍纖維相比，棉花的孔隙率可以增加金層的數(shù)量?！懊藁ㄓ性S多孔隙，可以支持電化學(xué)設(shè)備的活性，而且棉纖維是親水的，這意味著電解液很容易浸濕表面。”客座教授、論文的作者之一Yongmin Ko解釋說。除了提高電極的導(dǎo)電性外，棉纖維還可以提高裝置的生物相容性。該裝置的設(shè)計初衷是在低溫下工作，以便在體內(nèi)使用。

可植入的生物燃料電池會隨著時間的推移而退化，而由美國和韓國團(tuán)隊開發(fā)的新電池提高了長期使用的穩(wěn)定性。Lee說：“有了創(chuàng)記錄的高功率性能，起搏器等生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的壽命應(yīng)該會得到改善?！毙呐K起搏器和其他植入式設(shè)備現(xiàn)在使用的是電池，這些電池可以使用數(shù)年，但在手術(shù)的過程中可能需要更換。Lee補(bǔ)充說，新的生物燃料電池可以為這些電池提供持續(xù)的電力，有可能在不更換電池的情況下延長設(shè)備的運行時間。

此外，為了定時釋放藥物，臨床上經(jīng)常會植入一些臨時設(shè)備，隨著時間的推移，它們會生物降解，無需手術(shù)移除。而新型生物燃料電池可以為這些不包含電池的醫(yī)療設(shè)備提供所需的有限電力。

未來的研究目標(biāo)包括演示生物燃料電池與能量儲存裝置的運作，并開發(fā)一種功能性的可植入電源?！拔覀兿Ｍ_發(fā)其他的生物設(shè)備，并在包含電池和高性能存儲的其他設(shè)備上做更進(jìn)一步的研究?！盠ee說。

編譯：花花 審稿：西莫 責(zé)編：唐林芳