從1800年人類歷史上首個電池「伏打電堆」問世開始，人類對電池的探索已經走過了200多年。如今，「活體電池」又成為一種新的能源供應方式。近日，深圳科學家利用3D打印活體水凝膠技術，成功研製出一種直徑僅20毫米的微型便攜式微生物燃料電池。

　微生物燃料電池也被稱為生物電池，是一種利用電活性微生物的代謝活動來發電的新型生物能源裝置，這種「活體電池」具備超強的環境適應性和良好的生物相容性，在生理監測、植入式醫療設備供電、解決可持續能源供應等方面發揮了重要作用。通過微型化和便攜化改造，微生物電池有望為智能手表、心臟起搏器等毫瓦級低功耗設備提供電力支持。

　該項成果來自中國科學院深圳先進技術研究院（簡稱「深圳先進院」）定量合成生物學全國重點實驗室鍾超團隊聯合深圳先進院集成所神經工程中心劉志遠團隊、深圳大學王任衡團隊，目前已經在《先進材料》上發表。

　開發可循環供能的生物電池

　在該研究中，研究團隊基於希瓦氏菌，開發了一種創新的3D打印活體水凝膠材料，這種生物材料具有獨特的彈性特性，使其能夠通過3D打印技術形成一維到三維的複雜結構。

　受傳統鋰電池製造技術啟發，研究團隊採用陰陽極分離的優化設計：以活體水凝膠作為「陽極」，含鐵氰化鉀的藻酸鹽水凝膠作為「陰極」，通過3D打印技術製備出高性能電極結構，最終成功構建了直徑僅20毫米的微型生物電池系統。

　實驗結果表明，這塊微型電池可穩定輸出450毫伏電壓，並實現長達10次完整的「自充電—放電」的供能循環。文章通訊作者鍾超研究員表示：「電池供能循環結束後，細菌存活率高達97%，且連續運行100小時後仍保持90%以上的高存活率，這充分證明了其優異的生物相容性。」

　進一步的性能測試表明，生物電池具有出色的循環穩定性，能量損失極低，同時完全避免了傳統電池中鈷、鋰等稀缺金屬以及有毒電解質的使用，在環保方面具有顯著優勢。儘管其當前能量密度和功率密度較商業鋰離子電池仍有差距，但已基本滿足低功耗設備的供電需求。

　計劃開發植入式生物電池

　據介紹，這種活體電池創新性地整合了生物電刺激裝置，通過刺激神經元實現了對電生理和血壓的精準調節，在疾病治療方面有較大應用潛力，也推動了便攜式生物器件的發展，拓展了活體能源材料的研究前沿。

　「研究需要突破『紙面創新』，同時要找到切實可行的應用場景。」研究論文第一作者王新宇介紹，儘管生物電池的技術概念新穎，但存在功率和輸出電壓波動（受細菌活性影響）兩大局限，使得生物電池難以勝任需要持續穩定供電的場景。

　基於這些特性，團隊瞄準了瞬時神經刺激這一精準醫療領域——通過集成電容器系統實現電能的精準調控，成功開發出適用於神經調控的生物電池應用方案。

　據王新宇介紹，團隊未來計劃開發基於活體水凝膠的植入式生物電池，利用人體血糖作為持續能源，實現醫療設備的自供能運行。這項研究不僅體現了合成生物學與材料科學的交叉創新，也為發展環境友好的可持續能源技術提供了新思路，在醫療植入設備和環境監測傳感器等領域展現出重要應用前景。未來，研究團隊將通過優化菌種選擇、改進材料配方和精細調控電池結構，提升生物電池性能，推動該技術向實際應用轉化。

　頂圖圖說：生物電池實拍圖。圖源 廣州日報