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電鰻(Electrophorus electricus)，南美洲的水域之霸，身軀隱匿于沉默的深淵，卻蘊藏著高達600伏的電之力量。

它不僅是自然界的一名高效捕獵者，更是大自然神奇進化的見證，將電能完美地融入生存策略中。或許，不久的將來，人們也可以像電鰻一樣，擁有放電的防御和攻擊的雙重技能。

這篇Nature，也許就是這個開端。

生物集成設備需要電源來運行。盡管廣泛使用的技術，可以為大規(guī)模目標提供電力，例如，電池的有線能量供應或無線能量轉導，但在微觀尺度上有效刺激細胞和組織的需求仍然迫切。理想的微型電源應該具有生物相容性，機械柔韌性，能夠產(chǎn)生用于生物刺激的離子電流，而不是像傳統(tǒng)的電子設備那樣使用電子流。

一種方法是使用受電鰻啟發(fā)的軟能量源；然而，結合所需能力的電源尚未生產(chǎn)出來，因為獲得既能在使用前保存所含能量又容易觸發(fā)產(chǎn)生能量輸出的小型化單元是具有挑戰(zhàn)性的。

在此，來自英國牛津大學Yujia Zhang & Linna Zhou & Hagan Bayley等研究者開發(fā)了一種小型化的軟能量源，通過沉積脂質支持的納米級水凝膠液滴網(wǎng)絡，利用內部離子梯度從而產(chǎn)生能量。相關論文以題為“A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity”于2023年08月30日發(fā)表在Nature上。

與傳統(tǒng)的笨重電池相比，軟微型電源有望提高生物相容性和靈活性。電鰻的電器官是生物能源的一個例子，它利用離子通量來發(fā)電。盡管一些研究已經(jīng)調查了器官的電致行為，其他人已經(jīng)開發(fā)了數(shù)百平方厘米的大型功率陣列來模仿這種行為，但還沒有人創(chuàng)造出可以按需打開并與活細胞相互作用的多室微尺度離子電源。

電鰻的發(fā)電能力依賴于成千上萬的電細胞串聯(lián)堆疊，其中陽離子Na⁺和K⁺可以在濃度梯度的驅動下，單向通過細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制(圖1a)。

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包圍，這些單層脂質在相互接觸后幾秒鐘內形成液滴界面雙層(DIBs)，從而形成穩(wěn)定的無支撐結構(圖1b)。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)的水凝膠結構(圖1c)。

圖1. 液滴電源的結構及輸出性能

通過使用化學活性Ag/AgCl電極，將鹽梯度釋放的能量轉化為電能，水凝膠結構可以作為能量源和外部元件的動力(圖1d)。脂質起著至關重要的作用，它能夠形成穩(wěn)定的液滴網(wǎng)絡而不耗散能量，并按需激活動力活性；研究者的方法提供了一種在微觀尺度上構建軟離子電源的方法，據(jù)目前所知，這在以前還沒有實現(xiàn)過。

因此，研究者在此開發(fā)了一種小型化的軟能量源，通過沉積脂質支持的納米級水凝膠液滴網(wǎng)絡，利用內部離子梯度產(chǎn)生能量。與原始的鰻魚設計相比，研究者的方法可以將動力單元的體積縮小10⁵倍以上，并且可以儲存超過24小時的能量，可以按需運行，功率密度提高680倍，約為1,300 W m^?3。

研究者的液滴裝置，可以作為生物相容性和生物離子電流源，來調節(jié)三維神經(jīng)微組織和離體小鼠腦切片中的神經(jīng)網(wǎng)絡活動。最終，研究者的軟微型離子電子裝置可能會集成到生物體中。

圖2. 液滴體積對液滴電源電特性的影響

圖3. 模板輔助液滴網(wǎng)絡制作及輸出

圖4. 離子液滴裝置誘導的神經(jīng)元調制

SEBS和其他封裝方法，可以打開使用離子電源為可穿戴設備和其他移動設備供電的大門。然而，還有進一步改進的余地。理想的電源應該在生理環(huán)境中工作，這樣才能在體內進行生物調節(jié)。

目前的液滴電源使用溫度變化來不可逆地觸發(fā)其活動，并且需要SEBS封裝才能在水環(huán)境中工作。通過在水環(huán)境中生產(chǎn)具有遠程可逆開關的三維打印液滴電源，將水轉移與脫濕方法以及光可控脂質或膜蛋白的使用相結合，可以實現(xiàn)在體內的應用。

在此基礎上，在水凝膠中加入其他刺激響應材料，如磁性顆粒，可以賦予遠程控制的移動性，從而在受限的生物環(huán)境中進行體內能量輸送。

未來的研究應側重于在生理條件下利用該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、合成組織和微型機器人提供動力。液滴裝置也為調節(jié)各種小型細胞結構(如腦類器官和組裝體)的活性鋪平了另一條道路。

文獻信息

Zhang, Y., Riexinger, J., Yang, X.?et al.?A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity.?Nature?620, 1001–1006 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06295-y

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06295-y

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