Nature：师法自然！新型“水凝胶液滴电池”问世！

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导读

电鳗是一种可以放电的生物，主要分布于南美洲的亚马逊河和圭亚那河地区。成年电鳗输出的电压可达300-800 V，产生足以将人击昏的电流，是放电能力最强的淡水鱼类，被称为 “水中高压线”。

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成果简介

本文作者受电鳗发电启发，通过沉积脂质支持的纳升水凝胶液滴网络来开发一种小型化软电源，该水凝胶液滴使用内部离子梯度来产生能量。与最初受鳗鱼启发的设计相比，该方法可以将动力单元的体积缩小10倍以上，并且可以存储能量超过24小时，实现按需运行，功率密度提高680倍，约为1300 W m−3。相关工作以“A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity”为题发表在Nature上。

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关键创新

1、本文受电鳗发电启发，开发了一种微型“液滴水凝胶电池”，通过水凝胶液滴之间的离子梯度来产生能量，功率密度达到约1300 W m−3。

2、该液滴装置可以作为生物相容性和生物离子电流源来调节三维神经微组织和离体小鼠脑切片中的神经元网络活动。最终，该软微型离子电子设备可能会集成到生物体中。

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核心内容解读

图1液滴电源的结构和输出性能。a–c、通过沉积水凝胶液滴形成的动力装置的制造工艺；d、液滴动力单元形成过程的明场图像；e、输出开路电压(VOC)；f，在形成连续水凝胶网络之前，归一化VOC和单个功率单元的平均液滴直径随在油中不同储存时间长度的变化。@The Authors

电鳗的发电能力依赖于成千上万的电细胞串联堆叠，其中阳离子Na+和K+可以在浓度梯度的驱动下，单向通过细胞膜上的离子选择蛋白通道。研究者通过将5个纳米水凝胶(琼脂糖)液滴按顺序组合，模拟了鳗鱼电器官的总体布局和机制。在单个单元中，液滴的顺序是：高盐(例如CaCl2、KCl或NaCl)、阳离子选择性、低盐选择性、阴离子选择性和另一个高盐液滴。用电子显微注射器将它们沉积在含脂油中。液滴最初被单层脂质包围，这些单层脂质在相互接触后几秒钟内形成液滴界面双层(DIBs)，从而形成稳定的无支撑结构。为了激活电源，将组装好的液滴移动到无脂油中以去除脂质并拆卸DIBs。然后将液滴在4℃下凝胶化，形成连续的水凝胶结构。这使得离子可以穿过导电水凝胶，从两端的高盐液滴移动到中间的低盐液滴。通过将末端液滴连接到电极，离子梯度释放的能量转化为电能，使水凝胶结构能够充当外部组件的电源。在研究中，激活的液滴电源产生持续超过30分钟的电流。由50纳升液滴组成的单元的最大输出功率约为65nW。这些设备在存放36小时后产生了相似的电流量。

图2液滴体积对液滴电源电学特性的影响。a、初始(t = 0) VOC和ISC值。低于100 nl的液滴体积是根据显微镜测量的直径计算的；b、计算不同液滴体积的单个功率单元的功率密度和总释放电荷。动力源的体积和长度是单个液滴体积和直径的五倍；c、归一化VOC、ISC和串联和/或并联形成液滴网络的功率单元的总释放电荷。@The Authors

使用脂质支持的水凝胶液滴构建软电源的优点之一是易于小型化。将液滴体积从1000nl减少99.8%至1.84nl，导致输出电压（36%，从136 mV减少至87 mV）和电流（70%，从2.7μA减少至0.83μA）。尽管小型化电源的总释放电荷较低，但作者可以串联和并联组合多个电源单元以增加输出电压和电流。VOC随着串联单元数量的增加而增加，ISC和总释放电荷随着并联单元数量的增加而增加。

图3模板辅助液滴网络制造和输出。a-b、大型图案化电源网络的准备；c，具有多个液滴六边形的模具的明场图像。每个液滴的体积约为4 nl。比例尺，600 μm；d，放大单个六边形层。比例尺，200 μm；e，堆叠7个和28个功率单元。标尺，600 μm；f，经过四步顺序沉积到螺旋模具中，液滴自组装成一系列动力单元；g-h，连接二十个动力单元(g；标尺，1.2 mm)以产生足以点亮红色发光二极管(h)的输出电压。@ The Authors

为了扩大小液滴的组装规模以适应更大规模的应用，作者采用了模板方法，将多个液滴沉积到三维打印的树脂模具中，以生产预先设计图案的动力单元。作者在螺旋模具中串联组装了20个五液滴单元。螺旋电源可以点亮发光二极管。

图4离子液滴装置诱导的神经元调节。a、用于通过从液滴设备产生离子电流来调节神经元活动的触发策略；b，由细胞内Fluo-4荧光反映的离子电流调节的神经元活动；c、输出液滴装置穿过低盐液滴；d，不同时间点的帧，显示包埋在液滴中的神经元；f、不同培养期后和小鼠离体脑切片中神经元网络的荧光中心在90秒内的相对位移。@ The Authors

随后，作者演示了如何将活细胞附着在该装置的一端，以便它们的活动可以直接受到离子电流的调节。研究小组将该装置附着在含有人类神经祖细胞的液滴上，这些液滴已被荧光染料染色以表明其活性。当电源打开时，延时记录显示神经元中由局部离子电流诱导的细胞间钙信号波。

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成果启示

通过利用离子梯度，本文开发了一种液滴水凝胶电池，可实现约1300 W m−3的功率密度。未来的研究应侧重于在生理条件下利用该电池装置并提高整体能量容量，从而可用于为下一代生物混合界面、植入物、合成组织和微型机器人提供动力。液滴装置也为调节各种小型细胞结构(如脑类器官和组装体)的活性铺平了另一条道路。