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NUS刘向阳/厦大林乃波《ACS Nano》:受电鳗启发制备的双离子交换膜电池可为植入式医疗器械持续供能
高分子科学前沿 / 时间:2021-03-08 22:04:32

高分子科学前沿3月8日讯: 能量转换及储存技术是制约植入式医疗器械(implanted medical devices, IMD)发展的重要因素之一。在生物环境中,IMD对植入电源的安全性具有很高的要求,几乎超出了传统电池的设计标准。有毒电极材料和酸/碱电解质一旦与生物组织直接接触,就会导致免疫反应过度和IMD失效,例如葡萄糖燃料电池、含水Li+(或Na+)电池以及压电和热发生器等。在自然世界中,生物通过控制离子的传输,进而产生神经冲动和发电。电鳗(Electrophorus electricus)和其他电鱼的电器官是将电力系统与基于自然材料的生物组织相结合的完美例子。电鳗拥有5000到6000个电活性细胞,每个细胞可以产生150 mV的生理电压,这些电细胞在其组织中呈有序堆叠,因此可以产生高达600V的冲击。通常,这些电细胞具有阳离子特异性离子通道的内螺纹表面和在相反侧富含钠泵和离子通道的凹入质膜。在活性状态下,两侧的这些通道允许Na +和K +的离子通量在极化浓度梯度下通过膜,从而导致总跨细胞电位≈150mV。这些嵌入在质膜中的选择性蛋白质基离子通道为开发具有智能纳米通道的功能性膜提供了重要线索,如反向电渗析。通过模仿离子通道,利用离子/电子束钻孔的纳米孔膜和具有由堆叠纳米片形成的纳米通道的膜,可以开发具有离子选择性、离子整流和离子选通特性的功能性薄膜。然而,这些薄膜离子通量低,导致能量转换效率低、输出功率低;同时,减小厚度也降低了其物理强度。考虑到实际应用,具有高密度纳米通道的三维(3D)多孔膜是平衡高穿透性、选择性的理想平台。

受电鳗生物电工作原理的启发,新加坡国立大学刘向阳教授和厦门大学林乃波副教授团队利用反电渗析装置(RED)的仿生原理,开发了基于丝素蛋白(SF,蚕丝的主要成分)的离子交换膜。丝素蛋白纳米纤维(SNF)膜经负性和正性修饰,形成强阳离子和阴离子选择性,进而调控离子扩散以产生电能。这些相反电荷的SNF膜用Ag/AgCl电极组装成三室RED,通过选用10 mM和0.001mM NaCl溶液作为填充液,获得了在66 kΩ的外部负载电阻下0.59 mW/m 2的最大输出功率密度。这项工作证明了电池系统的关键部件可以用蛋白质材料制造的概念,结合水基电池技术的出现,本研究将为下一代IMD集成电池的构建提供新思路和依据。该工作以“Biomimetic Salinity Power Generation Based on Silk Fibroin Ion-Exchange Membranes”为题,发表在最新一期的《ACS Nano》杂志上。


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