近日，河南師范大學(xué)楊林教授團(tuán)隊(duì)在可植入式生物燃料電池新型正極催化劑研究方面取得重要進(jìn)展，研究成果以“InSituEngineeringofIntracellularHemoglobinforImplantableHighPerformanceBiofuelCells”為題，在線發(fā)表于AngewandteChemieInternationalEdition雜志，并被NatureReviewMaterials以“BIOFUELCELLS:Poweredbyblood”為標(biāo)題將這一成果作為研究亮點(diǎn)進(jìn)行了專題報(bào)道。

隨著高科技的發(fā)展，可植入人體的心臟起搏器等生物醫(yī)用裝置需要合適的微型電源驅(qū)動(dòng)，因此可植入的生物燃料電池受到廣泛的關(guān)注。然而目前該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)是如何提高電池的功率密度、壽命及穩(wěn)定性，這與催化劑的性能密切相關(guān)。就陰極而言，目前使用的催化劑主要是生物酶，但其催化性能遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要。為了提高其性能當(dāng)前研究主要集中在電極的修飾、酶催化劑的固定、電子傳輸介質(zhì)的改善等方面，這些方法面臨的問題是：如何避免催化劑失活、提高穩(wěn)定性、增加材料的生物相容性和催化劑的選擇性等。楊林教授團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，基于人體血紅細(xì)胞(RBC)研究出了高性能的細(xì)胞電催化劑，可直接用于電催化氧還原反應(yīng)(ORR)。

楊林教授團(tuán)隊(duì)以RBC為原料，通過溫和的離子分步滲透方法，原位合成了細(xì)胞內(nèi)含有超小納米羥基磷灰石（HAP）與血紅蛋白結(jié)合的工程化紅細(xì)胞(NERBC)。與天然的RBC比較，生成的NERBC的生物學(xué)性質(zhì)沒有變化，然而通過納米材料對(duì)蛋白的作用促進(jìn)了細(xì)胞對(duì)氧氣的吸附和電催化ORR的性能。測(cè)試結(jié)果表明，NERBC有著優(yōu)異的電催化性能，其起峰電位為0.47V（vs.RHE），最大電流密度是2.67mAcm-2，且穩(wěn)定性良好。并且它有很好的選擇性，在研究的電壓范圍內(nèi)對(duì)負(fù)極燃料葡萄糖沒有明顯的催化活性，這為獲得無(wú)隔膜生物燃料電池奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)模擬血液成分，分別以葡萄糖和氧氣為電極反應(yīng)原料、以NERBC為正極催化劑組裝成無(wú)隔膜生物燃料電池后，表現(xiàn)出優(yōu)秀的電池性能。機(jī)理研究表明，NERBC的優(yōu)秀性能主要是由于胞內(nèi)HAP中的-OH與Hb相互作用，促進(jìn)了Fe2+與O2的結(jié)合，從而使其吸氧能力增加，同時(shí)使O-O的鍵長(zhǎng)增加結(jié)合能減弱，有利于被還原。此研究結(jié)果為納米材料調(diào)控細(xì)胞的性能，以便用于生物醫(yī)用器件開辟了新的道路，也可為其它領(lǐng)域提供借鑒。NERBC優(yōu)異的生物相容性以及對(duì)ORR的直接催化能力，使得其成為可植入式生物燃料電池良好的備選材料。

河南師范大學(xué)楊林教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事仿生納米結(jié)構(gòu)電催化劑及納米結(jié)構(gòu)調(diào)控細(xì)胞性能方面的研究工作，取得了系列研究成果，在國(guó)際著名期刊，如AngewandteChemieInternationalEdition、AdvancedMaterials、AdvancedFunctionalMaterials及AdvancedEnergyMaterials上發(fā)表了一系列論文。

博士研究生陳會(huì)鋒及青年教師白正宇博士為該文章共同第一作者。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金(GrantNo.21571053and51872075)等項(xiàng)目的資助。