Adv. Mater.2023：自给自足的血糖代谢燃料电池

背景

目前可用的生物电子设备消耗太多的能量，无法在可充电电池上连续运行，而且通常是无线供电，伴随着可靠性、便利性和移动性等问题。因此，一种在生理条件下工作的强大的、自给自足的、可植入的发电机的可用性将对许多应用产生革命性的影响，从驱动生物电子植入物和假体到编程细胞行为和患者的新陈代谢。在这里，利用一种新的含铜、导电性调谐的3D碳纳米管复合材料，设计了一种可植入的血糖代谢燃料电池，该电池可以连续监测血糖水平，在高血糖期间将多余的葡萄糖转化为电能，并产生足够的能量(0.7 mW/cm^-2, 0.9 V, 50 mM葡萄糖)来驱动工程细胞泡状胰岛素释放的光和电遗传调节。研究表明，在I型糖尿病的实验模型中，通过结合电代谢转化和胰岛素释放介导的细胞消耗，将血糖监测与消除过量血糖相结合，使代谢燃料电池能够以自动、自给自足和闭环的方式恢复血糖稳态。

图文导读

（图1用于闭环控制血糖稳态的非酶代谢燃料细胞示意图）

（图2 非酶代谢燃料电池的阳极）

（图3 非酶代谢燃料电池的阴极）

（图4 代谢燃料电池供电的电场刺激工程人β电细胞的囊泡胰岛素释放）

（图5 代谢燃料细胞驱动的光遗传刺激泡状胰岛素释放的工程人类iβ细胞）

全文总结

可穿戴和可植入的电子设备在生理信息的现场监测和为实时医疗干预提供信息方面已经变得越来越强大。无论这种生物电子设备和植入物是使用光作为电遗传控制的中间物，还是基于电场的直接电遗传界面，它们都需要大量的电能来支持监测、处理和通信。因此，目前可用的生物电子植入物不能使用电池供电，但需要有线、或无线电源，来进行连续操作，这限制了自充足性、可靠性和患者的方便性。理想情况下，最好是使用内源性电源来操作生物电子植入物，以实现自给自足、连续和可靠的操作。在这里，通过集成分层装饰的柔性三维纳米结构无机氧化铜催化剂，我们制造了一个代谢燃料电池，在生理血糖浓度下产生超过330 mV的OCV。代谢向电能的有效转化是由纳米催化氧化铜介导的，它将葡萄糖转化为葡萄糖酸盐并生成质子，同时通过弹道传输将电子通过由导电填料PEDOT：PSS支撑的主干。该填充物与MWCNTs壁上的自由π电子相互作用，导致π-π结合，其中PEDOT寡核苷酸形成与PSS链排列的导电簇，从而形成局部导电颗粒，增加电子的弹道传输。由此产生的代谢燃料细胞不仅能在整个生理血糖范围内有效地感知葡萄糖，而且还能在很长一段时间内保持其性能和稳定性。代谢燃料电池在生理条件下将多余的代谢能量转化为电能，有望为生物电子植入物和可穿戴电子设备的应用开辟许多新的机会。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202300890

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