伍伦贡大学王彩云教授/温州医科大学刘勇AM：生物聚合物膜助力仿生渗透发电

随着植入式及可穿戴医疗器械（IMDs）在精准医疗和健康监测中愈发重要，安全长效、低维护的绿色能源成为技术瓶颈。传统电池因容量有限、需频繁充电及体积较大等问题，难以满足生物电子设备长期应用需求。反向电渗析（RED）技术利用生理环境中的渗透能，将渗透压差直接转化为电流，具有净零化学反应和无害副产物的特点，是体内自驱动仿生设备能源供应的理想选择。生物聚合物膜作为RED 系统核心，凭借优异生物相容性、高离子导电性、可调控表面修饰性及生物降解性成为研究热点。近日，澳大利亚伍伦贡大学王彩云教授以及温州医科大学刘勇教授在《Advanced Materials》发表题为 “Biopolymer Membranes for Osmotic Power Generation in Bionic Applications”的综述，深入解析RED过程机理及生物启发，为该技术在生物电子领域的发展提供重要参考。

RED的核心是通过离子交换膜（IEM）将盐度梯度中的渗透能直接转化为电能，其原理模拟了电鳗电细胞的离子泵机制和神经元信号传导中离子的高效流动，实现盐度梯度向电能的转化。RED有半电池和全电池两种设计：半电池中单个IEM位于浓、稀电解质间，在高表面电荷的短孔或原子级薄孔中效率较高，最大功率密度可通过公式计算；全电池由交替的阳离子（CEM）和阴离子（AEM）交换膜堆叠而成，通过持续供应不同盐度流体实现连续发电。离子交换膜的导电性和选择性受水合膜电荷与含水量影响，通道尺寸和表面电荷密度通过几何约束与静电作用调控离子传输。微通道中德拜长度远小于通道尺寸，溶液近电中性；纳米通道中德拜长度超过通道尺寸，通道处于双电层内，利于高效离子传输，尤其通道尺寸接近电双层厚度时，展现单向离子整流效应，大幅提升效率。此外，RED原理与生物体跨膜电化学梯度利用相似，电鳗电器官、ATP合成的质子梯度、神经信号传输的离子通道等生物过程为其提供仿生灵感，人体离子传输系统也为植入式设备供电提供潜力。

图1 半电池/全电池中的典型RED过程及带电微/纳米通道中的离子传输

图2 纳米流体通道与离子电流整流效应

图3 生物体中涉及的离子驱动信号传递

受生物系统启发，仿生离子通道膜可提高离子选择性和传输效率。膜设计从均相发展为异相结构，其不对称性、表面电荷异质性等产生离子电流整流效应，减少反向电流，提升效率。天然生物膜组件分工明确，磷脂双分子层提供支撑，膜蛋白负责传输（如水通道蛋白实现水分子选择性传输），为智能膜设计提供灵感。生物聚合物质子传导依赖Grotthuss机制，天然多糖（纤维素、壳聚糖等）和蛋白质（丝素等）具有良好生物相容性与结构可调性，质子传导效率受pH 影响。当前研究通过调控纳米孔径、表面电荷及膜结构提升性能，细菌纤维素复合2D材料等展现出优异力学性能和高功率密度，具备体内应用潜力。多层组装技术及梯度电荷分布可缓解膜膨胀，维持性能稳定。

图4 天然材料中的离子传输

图5 质子传输及其在RED中的应用

用于RED的生物聚合物中，多糖和蛋白质是重要代表。

图6 不同生物聚合物膜的比较评估

RED在仿生领域前景广：神经电子学中，离子电源借离子电流调制神经元网络活动，如脂质支持水凝胶离子电源装置能刺激细胞内Ca²+波、调节神经元活动；药物递送方面，RED系统可驱动经皮药物递送，微型RED贴片在盐度梯度下产生稳定电压，实现离子药物经小鼠皮肤体外递送，无需电子设备；生物传感领域，柔性RED贴片为电化学发光传感供能，集成微型贴片式RED系统的生物标志物传感装置，具自供电医疗诊断平台潜力；离子电子学中，基于RED的渗透电源通过仿生离子二极管、软凝胶电路等，实现与生物体系信号无缝对接，推动人机界面技术进步。

图7 离子动力源器件及应用

RED技术在仿生应用中潜力巨大，但体内应用仍面临多重挑战。功率输出方面，现有研究多集中于能量生成，生理条件下的研究及体内功能性展示有限，虽有基于RED的水凝胶和双相凝胶离子电子系统等成果，但依赖外部盐水循环系统，限制了封闭生物环境中的自主运行，且其作为 “离子晶体管” 调节离子流的应用需完善。生物相容性方面，植入式装置需全面兼容以避免免疫排斥等问题，生物聚合物表面与生物大分子的相互作用可能引发炎症，需通过细胞活力、血液相容性等体内外评估确保安全。长期稳定性方面，虽部分装置展现一定稳定性，但植入后，体液离子利用、膜污染、盐度梯度维持等问题凸显，体内复杂环境会制约性能稳定。

未来研究可聚焦多功能膜材料开发，集成防污等特性；优化装置设计以适应人体环境；通过跨学科合作推动临床应用。探索自适应生物离子电子系统和双向能量信息假说也很重要，前者可使膜自主调节性能，后者设想系统参与生物电化学对话，实现智能高效应用。总之，相关研究为植入式设备能源问题提供新思路，多学科融合有望推动 RED 技术临床应用，为医疗带来革新。

图8 生物信号与RED系统之间的双向通信

研究团队介绍

该研究团队由澳大利亚伍伦贡大学王彩云教授和温州医科大学刘勇教授的研究者组成，伍伦贡大学在智能聚合物研究方面经验丰富。温州医科大学的团队成员在眼科、生物医学工程等领域有深厚积累，团队围绕生物聚合物膜、反向电渗析及仿生应用开展研究，致力于推动渗透发电技术在生物电子领域的发展。

http://doi.org/10.1002/adma.202507770

来源：高分子科学前沿

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