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南京大學張曄課題組 Adv. Mater.：受線粒體啟發的高能量密度鎂氧氣生物電池

2023-09-28 來源：高分子科技

隨著可穿戴和可植入電子器件的蓬勃發展，亟需創建與人體環境相適應的新型高性能電池體系，要求電池具有高能量密度、優異的生物安全性和在復雜生物環境下穩定工作的特性。近日，南京大學張曄課題組設計和制備新型能源高分子材料，創建出與人體環境適應的高性能化學電池，實現在體內不同組織環境中穩定放電，電池表現出高能量密度和優異的生物相容性，成果近期發表在Advanced Materials上，DOI：10.1002/adma.202304141。

鎂氧氣電池利用鎂與氧氣反應產生電能，具有較高的理論能量密度，同時電池材料也比較安全，是一類理想生物電池體系。然而，如何構建適應生物環境的高性能鎂氧氣電池仍面臨以下問題：（1）電池在反應過程中，會發生離子和分子的輸運和擴散，局部物質濃度異常造成生物體的排異反應，導致較差的生物安全性。（2）體液對鎂負極會造成嚴重的腐蝕和鈍化，進而降低負極利用率和電池的能量密度。生物質在正極的黏附和污染對正極催化性能造成嚴重的影響，導致電池不能在生物環境下正常工作。如何通過材料和器件設計，實現電池在生物環境中長期穩定工作，是迫切需要解決的問題。

2021年至今，張曄課題組在能源高分子方向開展研究，通過設計和發展高分子凝膠電解質（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 15317）、高分子電極材料（Adv. Mater. 2022, 34, 2105120）、和高分子/生物組織界面材料（Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2107160），制備出一系列柔軟、生物相容、高容量的新型化學電池（Adv. Mater. 2023, 35, 2302997），為進一步實現生物環境相適應的高性能電池體系奠定了基礎。

圖1 仿線粒體的鎂氧氣生物電池的結構

研究亮點

線粒體具有獨特的雙層膜結構，能夠高效利用體液中氧氣源源不斷地產生能量。其中內膜具有較低的滲透性，將能量轉化區域與細胞內環境隔離；而外膜具有較高的滲透性，確保氧氣等物質的傳遞，并且與細胞內環境具有良好的生物相容性。這一特性為設計具有優異環境適應能力的高性能電池提供了啟示。本工作通過模仿線粒體結構，設計了一種具有雙層膜結構的高性能鎂氧氣電池，結構如圖1所示，內膜通過原位包覆的方法制備疏水聚合物網絡聚醋酸乙烯酯，實現離子傳輸的同時，限制水的滲透，進而減少鎂負極的腐蝕和鈍化，提高鎂負極利用率，實現高能量密度。外膜通過接枝聚合的方法，構建兩性離子磷脂分子層，獲得高的氧氣滲透性，確保正極持續穩定反應，同時限制離子擴散，實現良好的生物安全性（圖2）。

圖2 高分子內膜和外膜的結構和功能

為了評估鎂氧氣生物電池在體內的電化學性能，研究人員將其植入小鼠體內，包括腹腔、皮下、肌肉和大腦（圖3）。研究發現該電池能夠適應體內不同的組織環境進行穩定放電，其體內能量密度最高能夠達到2517 Wh·L^–1或1491 Wh·kg^–1（基于電池的總體積或總質量計算），是當前報道的最高水平的2.5倍。在此基礎上，該電池的體積可以縮小至0.015 mm³，并且在放大至400倍時，其能量密度有效保持。

圖3 鎂氧氣生物電池的體內電化學性能

此外，該工作詳細研究了鎂氧氣生物電池的生物安全性。通過雙層膜的設計，實驗組血清中的鎂離子濃度變化與未植入電池的空白對照組無統計學差異。此外，采用多種與缺氧相關的生化指標，包括乳酸脫氫酶（LDH），超氧化物歧化酶（SOD）和丙二醛（MDA），評估了氧氣的消耗情況。結果表明實驗組與對照組相比沒有統計學差異。其次，通過組織學研究的方法，評估了鎂氧氣電池植入部位周圍組織的炎癥反應情況。結果顯示小鼠植入部位周圍組織與對照組相似。這些結果表明，鎂氧氣電池植入后，與組織之間形成良好界面，具有較好的生物相容性，沒有引起異常或慢性免疫反應，具有較好的生物安全性。

圖4 鎂氧氣生物電池的生物安全性

研究人員發現得益于鎂氧氣電池的高能量密度和生物安全的優勢，鎂氧氣生物電池可以與醫療器件進行高度集成，實現微型化。例如，鎂氧氣電池可以與腦部刺激器高度集成，具有足夠小的體積，置于顱內進行原位電刺激，排除導線引起的感染和由導線斷裂引起的設備故障風險。此外，由于體積小且重量輕，鎂氧氣生物電池與聚丙烯酰胺水凝膠應變傳感器集成后可以直接黏附在胃表面，以監測胃蠕動。

圖5 仿線粒體的鎂氧氣生物電池的體內集成應用展示

該工作提出了一種受線粒體啟發的體內高性能鎂氧氣電池，通過創新設計高分子雙層膜結構，使得該電池能夠與生物體環境高度適應，在體內展示了較高的體積能量密度，最高達到了2517 Wh·L^–1（基于電池的總體積計算）。受線粒體啟發的鎂氧氣生物電池，有望在高性能植入能源器件方向拓展出一個新方向。

南京大學現代工程與應用科學學院博士生何兒和碩士生任俊燁為論文共同第一作者，南京大學現代工程與應用科學學院張曄副教授為論文通訊作者，南京大學是該論文的第一單位。研究工作受到國家科技部重點研發計劃，國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、江蘇省 “雙創團隊”項目等基金的支持。相關研究以“Mitochondrion-inspired magnesium-oxygen biobattery with high energy density in vivo”為題發表在Advanced Materials上。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202304141

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（責任編輯：xu）

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