【科研摘要】
为植入式医疗设备（ IMD）供电是一项长期挑战，因为在生物环境中使用植入式医疗设备需要长期，稳定的电源供应，并需要具有生物相容性和可生物降解性的电池系统。 最近， 新加坡国立大学 刘向阳教授 /厦 门大学 林乃波 副教授 团队 在《ACS Nano》上发表了题为 Biomimetic Salinity Power Generation Based on Silk Fibroin Ion-Exchange Membranes 的论文。 基于仿生原理的基于丝素蛋白的离子交换膜是用于逆电渗析装置（RED）的。 丝素蛋白纳米原纤维（SNF）膜经过负向和正向修饰，产生强阳离子和阴离子选择性，可调节离子扩散以产生电能。这些带相反电荷的SNF膜与Ag/AgCl电极组装成多室RED。通过用10和0.001 mM NaCl溶液填充它们，在66kΩ的外部负载电阻下可获得0.59 mW/m 2 的最 大输出功率密度。此外，十对 SNF膜可产生1.58 V的相当大的电压。 这项工作证明了电池系统的关键组件可以用蛋白质材料制造。结合水基电池技术的出现，本研究的发现为构建下一代IMD的组织集成电池提供了见识。
【主图见析】
图 1.带有基于蛋白质的离子交换膜的电鳗启发浓缩池的示意图。 （a）电动 鳗鱼（ Electrophorus electricus）的切口显示了电器官。（b）被绝缘组织束缚的多堆细胞。（c）在激活状态下穿过前质膜和后质膜的离子交换。（d）后膜上激活的Na + 通道和封闭的K + 通道。（e）反向电渗析装置（RED）的工作原理。（f）通过堆叠带有负电荷磺酸基团（SNF-SO 3 H）的丝素蛋白纳米原纤维（SNF）形成的互连纳米通道的阳离子选择性。（g）具有带正电荷的烷基取代的咪唑鎓基团（SNF-IL）的SNF膜的阴离子选择性。
图 2.纳米原纤维基多孔膜的制备和表征。 （a）示意图显示带电的丝素蛋白纳米原纤维（SNF）膜的制造过程，包括（1）对蚕茧进行脱胶；（2）用溴化锂溶解干燥的丝纤维；（3）透析丝素蛋白（SF）溶液，（4）加热以诱导天然SNF，（5和6）过滤，（7）与聚赖氨酸（PL）交联以获得氨基官能化SNF（SNF-NH 2 ），以及（8和9）改性以获得磺酸酸基团（SNF-SO 3 H）和烷基取代的咪唑鎓基团（SNF-IL）。（b）天然SNF分散液（1 mg/mL）和湿SNF膜的照片。经仿生和软物质研究机构许可，该徽标可作为背景 使用。 （c，d）分散的天然SNF的原子力显微镜（AFM）观察。（e）天然SNF膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。（f）（d）中天然SNF的两个交界点（Ljp-jp）之间的直径和长度的分布。（g）（d）中天然SNF的高度剖面。（h）通过堆叠SNF形成的纳米通道的示意图。（i）具有不同PL/SNF进料比的湿SNF-NH 2 膜的氨基的机械强度和密度。（j）具有不同厚度的湿SNF-NH 2 膜的氨基的机械强度和密度。（k）PL的GPC痕迹和结构式。Mn是指PL的数均分子量。（l）SNF膜的典型应 力 -应变曲线。（m）相对于离子浓度的SNF粉末悬浮液的ζ电势。
图 3. SNF-IL和SNF-SO3H膜的跨膜离子电导和选择性离子扩散。 （a）湿厚度为0.31、0.59和0.76 mm的SNF-IL的离子电导率。（b）湿厚度为0.25、0.47和0.65 mm的SNF-SO3H的离子电导率。虚线表示离子电导的体积值。（c，d）在不同浓度下具有不同湿厚度的SNF-IL（a）和SNF-SO3H（b）的膜电位矩阵。（e，f）SNF-IL（e）和SNF-SO3H（f）的估计功率密度。电位和功率密度的绝对值由色深显示，峰值位于其相应位置。在测量中，低浓度侧装有0.001 mM NaCl溶液。
图 4.一对阳离子和阴离子选择性SNF膜产生的电能。 （a，b）具有HC-LC-HC（a）或LC-HC-LC（b）电解质布置的三室电化学电池，其开路电压和短路电流在不同的浓度差下（HC至 0.001毫米）。SNF-IL和SNF-SO3H的湿厚度分别为0.76和0.65 mm。膜的暴露面积为10.75 cm 2 。（c）一对SNF膜的平均膜渗透率（α）和电化学能量转换效率（η）。（d）在最佳10000倍浓度差（10 mM至0.001 mM）和四对Ag/AgCl电极下，带有HC-LC-HC电解质装置的RED的电流密度和输出功率密度。
图 5.用于皮下植入测试的SNF膜和微型RED的细胞相容性。 （a，b）SNF膜上3T3细胞的荧光显微照片。（c）MTT法测定接种在SNF膜上的3T3细胞。（d–f）使用SNF膜作为离子交换膜和盐水聚丙烯酰胺水凝胶作为固体电解质的微型RED的示意图和图片。（g）植入Sprague-Dawley（SD）大鼠皮肤下的微型RED的图片。
【总结】
研究团队报告了通过过滤和随后的化学修饰制备蛋白质基离子交换膜的简便方法，并研究了其在渗透能转换中的潜力。 经过化学修饰的SNF膜SNF-IL和SNF-SO 3 H在低浓度范围内表现出离子选择性并调节离子扩散，从而实现了有效的电荷分离，从而产生了电能。在66kΩ的外部负载电阻下，观察到的最大功率输出为每单位0.59 mW/m 2 。此外，对膜会产生1.58 V的相当大的电压。 作为概念验证，这项工作证明了电池中的关键组件可以用设计良好的生物相容性材料代替。 借助适当的水基电池技术，可生物降解材料的应用将为下一代IMD的组织集成电池提供新的亮点。
参考文献： doi.org/10.1021/acsnano.1c00820
版权声明：「高分子材料科学」是由专业博士（后）创办的公众号，旨在分享学习交流高分子聚合物胶体学等领域的研究进展。上述仅代表作者个人观点。如有侵权或引文不当请联系作者修正。商业转载或投稿请后台联系编辑。感谢各位关注！
特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
