一作+通讯，牛津大学Nature！

学术 2024-11-01 08:00 浙江

▲第一作者：Yujia Zhang

通讯作者：Yujia Zhang，Linna Zhou，Hagan Bayley

通讯单位：英国牛津大学

DOI：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06295-y

研究背景

生物集成设备需要电源才能运行。尽管广泛使用的技术（如电池的有线能量供应或无线能量转换）可以为大规模生物应用提供电力，但在微尺度上有效刺激细胞和组织的需求仍然十分迫切。理想的小型化电源应该是具备高生物兼容和高机械灵活性的，能够产生用于生物刺激的离子电流，而不是像传统电子设备那样产生电子流。受电鳗启发的软电源是一种具有应用前景的解决方案但目前未能开发出来，因为要获得既在使用前保存所含能量又容易触发以产生能量输出的微型单元充满巨大挑战。

研究问题

本研究通过沉积具有脂质支持的纳升级水凝胶液滴网络，开发了一种微型化的软电源，这种水凝胶液滴使用内部离子梯度来产生能量。与最初以鳗鱼为灵感的设计相比，本研究的方法可以将功率单元的体积缩小105倍以上，并且可以存储的能量超过24 h，使按需操作的功率密度增加680倍，约为1,300 W m⁻³。本研究的液滴设备可以作为生物兼容和生物离子电流源，调节三维神经微组织和体外小鼠脑片中的神经元网络活动。最终，本研究的软微尺度离子电子设备可能会集成到活的有机体中。

▲图1|液滴电源的结构和输出性能

要点：

1.电鳗的发电能力依赖于串联堆叠数千个电细胞，其中阳离子Na⁺和K⁺可以在浓度梯度的驱动下单向通过细胞膜中的离子选择性蛋白质通道。本研究通过依次组合五个含水纳米升预凝胶液滴来模拟鳗鱼电子器官的总体布局和机制(图1a)。在单个单元中，液滴的顺序为：高盐(如CaCl₂、KCl₂或氯化钠)、选择性阳离子、低盐、选择性阴离子和另一种高盐液滴。通过使用电子微量注射器，将它们沉积在含有脂质的油中。液滴最初被单层脂膜包围，在彼此接触后几秒钟内形成液滴界面双层结构(DIB)，从而形成稳定、无支撑的结构 (图1b)。为了激活电源，组装的液滴被移入无脂的油中，以去除脂类并分解DIBS。然后将液滴在4℃下凝胶化，形成连续的水凝胶结构(图1c)。

2.本研究提出的方法的一个主要优势是：在转移到无脂油和凝胶之前，每个液滴都由脂双层结构将其与相邻液滴分开，这防止了液滴之间的离子流动，同时机械地稳定了结构。在绝缘脂双层破裂后，离子通过导电水凝胶，从高盐液滴移动到低盐液滴，穿过选择性可渗透的隔室。通过使用化学活性的银/氯化银电极，盐梯度释放的能量被转化为电能，水凝胶结构可以作为能源和为外部组件供电(图1d)。脂质在整个过程中起着关键的作用，其能够形成稳定的液滴网络而不耗散能量，并按需激活动力活动；本研究的方法提供了一种在微尺度上建立软离子动力源的方法，据本研究团队所知，这是一种全新的方法。

▲图2|液滴体积对液滴电源电学特性的影响

要点：

1.使用脂质支撑的水凝胶液滴建立软电源的优势之一是易于小型化。将液滴的体积从1,000 nL减少99.8%至1.84 nL，导致输出电压(36%，从136 μmV至87 μmV)和电流(70%，从2.7至0.83 μA；图2a)的相应下降。这些减少可能归因于液滴内阻的增加和选择性液滴的浓度极化增加。

2.与体积的下降相比，电压和电流的降幅很小。事实上，1.84 nL的液滴在匹配电阻处的平均能量密度增加了约100倍，达到约1,300 W m⁻³，比先前以鳗鱼为灵感的设计增加了约680倍，比随后的纸凝胶设计增加了约5倍(图2b)。

3.虽然小型化电源释放的总电荷较低(图2b)，但可以串联和/或并联多个电源单元以增加输出电压和/或电流。V_OC随着串联单元数量的增加而增加；I_SC和释放的总电荷随着并联单元数量的增加而增加(图2c)。

▲图3|由模板辅助的液滴网络的制作与输出

要点：

1.对于更大规模的液滴网络，在不增加液滴厚度的情况下，增加不同功能液滴层之间的接触面积是十分重要的。这是因为液滴的内阻与接触面积呈负相关，与厚度呈正相关。因此，保持较低的内阻(小尺寸)，同时增加串联或并联的单元数量，会分别增加输出电压或电流。为了扩大小液滴的组装以用于更大规模的应用，本研究采用了模板法，将多个液滴沉积到三维印刷树脂模具中，以生产预先设计的图案的动力单元(图3a，b)。从纳米到微米的球形单元的模板辅助自组装已被广泛用于制造图案化结,单元之间的吸引力和模板内的限制是自组装的两个必要条件。在本研究的方法中，脂基DIB的形成提供了液滴之间的吸引力(弹性常数约为4 mN m^-1，抗拉强度约为25 Pa)，而模具的边界限制了它们的分离。

2.本研究制造了内径为600 μm的圆柱形模具，大约是4-nL液滴直径的三倍。在每个模具中，沉积了七个液滴(4 nL)，这些液滴在几秒钟内自发组装成六角形的“花状”图案(图3c，d)。接下来，本研究将五个自组装的液滴六边形堆叠在一个更深的圆柱形模具中，形成更大的三维电源网络(图3e)。一个更大的由20个六边形(28个单元，140个液滴)组成的网络只需不到10 分钟就能建立(图3e)。可以使用3D液滴打印机来实现施工过程的自动化，以产生由数千个电力单元组成的液滴网络。

▲图4|由离子液滴装置诱导的神经元调制

要点：

1.本研究关注了液滴装置对神经元活动的影响。高盐和离子选择性液滴一起可以充当开放式液滴装置，可以通过其末端连接到外部组件（图4a）。当这个开放装置附着在离子浓度较低的液滴上时，就会形成一条导电路径，允许离子电流（约2.6μA）流过附着的液滴（图4b，c）。如果神经元嵌入低盐液滴中，产生的细胞外离子电流将调节单个神经元活动，进而反映神经元网络活动。

2.为了测试这一点，本研究使用微流体装置来生成由充满人类神经祖细胞的基质胶球（直径约 570μm）组成的神经微组织。神经微组织涂有含有神经元培养基的低盐琼脂糖水凝胶，形成含有神经元的液滴（图4a）。然后将液滴装置连接到圆形容器中含有神经元的液滴上。在高盐液滴中添加 0.5 M CaCl₂ 后，神经元在附着 10 分钟后仍保持高活力，这是通过 PrestoBlue 细胞活力测定、Calcein AM 和碘化丙啶活死染色以及神经元标记 TUJ1 和碘化丙啶的免疫荧光染色进行验证的。使用 Fluo-4 Direct 作为细胞内钙染料，本研究通过共焦成像测量神经元活动，发现该染料对细胞外钙没有反应。

3.延时记录揭示了当液滴装置连接到含有神经元的液滴时神经元调节的时空过程（图4d）。神经元活动与离子电流的相关性表明该活动是由液滴装置引起的而不是自发的。

结语

SEBS 和其他封装方法可能会打开使用离子电源为可穿戴设备和其他移动设备供电的大门。然而，该方法还有进一步改进的空间。理想的电源应该在生理环境中工作，以便可以在体内用于生物调节。目前的液滴电源利用温度变化来不可逆地触发其活性，并且需要SEBS封装才能在水环境中工作。水转移与去湿方法的结合以及光控脂质或膜蛋白的使用可以通过在水环境中使用远程可逆开关产生3D打印的液滴电源来实现体内应用。在此基础上，将其他刺激响应材料（例如磁性颗粒）纳入水凝胶中可以赋予远程控制的移动性，以将体内能量输送到受限的生物环境。未来的研究应侧重于在生理条件下利用该设备并提高整体能量容量，然后可用于为下一代生物混合接口、植入物、合成组织和微型机器人提供动力。该液滴装置还为调节各种小型化细胞结构（例如脑类器官和组合体）的活性铺平了一条替代途径。

原文链接：

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

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