美國喬治亞理工學院和韓國高麗大學的研究人員用組裝在棉纖維上的金納米顆粒制造了高導電性電極，提高了生物燃料電池的效率，將葡萄糖氧化酶與電極連接起來，解決了限制生物燃料電池性能的主要挑戰(zhàn)之一。這種電池提供的能量是傳統(tǒng)生物燃料電池的兩倍，可以與電池或超級電容器搭配使用，為心臟起搏器和傳感器等可植入醫(yī)療設備提供動力。這項研究的結果近日發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

“我們可以把這個裝置作為一個連續(xù)的能量源，將體內葡萄糖的化學能轉化為電能，用于制造金電極的逐層沉積技術精確地控制了金納米顆粒和酶的沉積，極大地提高了燃料電池的功率密度，可達3.7毫瓦每平方厘米。”喬治亞理工學院伍德拉夫機械工程學院的助理教授SeungWooLee說。

棉纖維由多條親水性微纖維（含有羥基的纖維素纖維）組成，研究人員將直徑約8nm的金納米顆粒用有機鏈接材料組裝到了多孔的棉纖維上，用葡萄糖氧化酶與胺功能化小分子TREN交替進行分層形成氧化葡萄糖的陽極，用具有電催化能力的鍍金電極形成發(fā)生氧還原反應的負極。“我們精確地控制了酶的含量，制造了一個非常薄的疊層，從而改善了導電底物和酶之間的電荷傳輸。我們已經(jīng)在材料之間建立了非常緊密的聯(lián)系，所以電子的傳輸會更容易。”Lee說。

與尼龍纖維相比，棉花的孔隙率可以增加金層的數(shù)量。“棉花有許多孔隙，可以支持電化學設備的活性，而且棉纖維是親水的，這意味著電解液很容易浸濕表面。”客座教授、論文的作者之一YongminKo解釋說。除了提高電極的導電性外，棉纖維還可以提高裝置的生物相容性。該裝置的設計初衷是在低溫下工作，以便在體內使用。

可植入的生物燃料電池會隨著時間的推移而退化，而由美國和韓國團隊開發(fā)的新電池提高了長期使用的穩(wěn)定性。Lee說：“有了創(chuàng)記錄的高功率性能，起搏器等生物醫(yī)學設備的壽命應該會得到改善。”心臟起搏器和其他植入式設備現(xiàn)在使用的是電池，這些電池可以使用數(shù)年，但在手術的過程中可能需要更換。Lee補充說，新的生物燃料電池可以為這些電池提供持續(xù)的電力，有可能在不更換電池的情況下延長設備的運行時間。

此外，為了定時釋放藥物，臨床上經(jīng)常會植入一些臨時設備，隨著時間的推移，它們會生物降解，無需手術移除。而新型生物燃料電池可以為這些不包含電池的醫(yī)療設備提供所需的有限電力。

未來的研究目標包括演示生物燃料電池與能量儲存裝置的運作，并開發(fā)一種功能性的可植入電源。“我們希望開發(fā)其他的生物設備，并在包含電池和高性能存儲的其他設備上做更進一步的研究。”Lee說。