生物电池又称微生物燃料电池，是一种新型的生物能源设备，利用电活性微生物的代谢活动发电。这种“生物电池”具有很强的环境适应性和良好的生物相容性，在生理监测、植入式医疗器械供电、可持续能源供应处理等方面发挥着重要作用。微生物电池有望通过小型化、便携式改造，为智能手表、心脏起搏器等毫瓦级低功耗设备提供电力支持。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院(以下简称深圳先进研究院)与深圳先进研究院集成所神经工程中心刘志远团队、深圳大学王任衡团队合作，定量合成生物学国家重点实验室钟超团队在《先进材料》上发布了最新研究成果。他们利用3D打印生物水凝胶技术，成功研制出直径只有20毫米的微型便携式微生物燃料电池，创新性地将生物电刺激设备融合在一起，通过刺激神经元完成电生理和血压的精确调节，在疾病治疗中具有很大的应用潜力。这项研究促进了便携式生物扩展。

跨学科开发可循环供能的生物电池

在这项研究中，研究小组基于希瓦氏菌，开发了一种创新的3D打印生物水凝胶材料，具有独特的弹性特性，使其能够形成包含一维到三维的复杂结构，包括细致的蜘蛛网和叶片。为了保证微生物在装置中的活性，研究人员首先在藻酸盐水凝胶中包装溶液状态的微生物，并通过添加纳米纤维素和氧化石墨烯来优化系统，显著提高了材料的机械强度和导电性能。

生物电池的设计和制造需要结合多学科的知识，涉及合成生物学、材料科学和生物医学。因此，钟超团队与深圳市先进医院集成所神经工程中心研究员刘志远团队合作，共同开发微型生物电池系统。

受传统锂电池制造技术的启发，研究团队选择了阴阳极分离的优化设计:以活性水凝胶为“阳极”，以含铁氰化钾的藻酸盐水凝胶为“负极”，通过3D打印技术制作出高性能电极结构，最终成功构建了直径只有20毫米的微型生物电池系统。

实验结果表明，该微电池可以稳定输出450毫伏电压，实现近10次“自充电-放电”的完整供能循环。论文作者钟超表示:“电池供能循环结束后，细菌存活率高达97%，连续运行100小时后仍保持90%以上的高存活率，充分证明了其优异的生物相容性。”

进一步的性能测试表明，生物电池具有优异的循环稳定性和极低的能量损失，完全避免了钴、锂等稀缺金属和传统电池中有毒电解质的使用，在环保方面具有明显优势。虽然与商用锂电池相比，目前的能量密度(每升0.008瓦)和功率密度(每平方厘米8.31微瓦)仍有差距，但基本满足了低功耗设备的供电需求。

实现精确的血压调节

“研究需要突破‘纸面创新’，同时找到切实可行的使用场景。”论文第一作者、深圳先进研究院副研究员王新宇表示，虽然生物电池的技术概念比较新颖，但存在两个局限:功率和导出电压波动(受细菌活性影响)，使得生物电池难以满足长期稳定供电的需求。

基于这些特点，团队成功开发出适合神经调节的生物电池应用方案，针对精准医疗领域的瞬时神经刺激——通过集成电容器系统精准调节电能。

大鼠坐骨神经刺激试验数据显示，随着生物电池导出强度梯度的增加，诱发的动作电位和肌电信号的幅度显著增加了剂量依赖性。此外，通过调整生物电池导出，大鼠血压成功明显下降，收缩压(高压)下降23.5%，舒张压(低压)下降18.7%。刺激停止后，大鼠血压自主恢复基线水平。

这些信息不仅验证了生物电池在神经干预治疗中的有效性，也揭示了其独特的优势——细菌代谢的自然起伏与瞬时神经刺激的需求高度兼容，为高血压等疾病的精确神经调节提供了创新的解决方案。

据王新宇介绍，该团队计划开发基于生物水凝胶的植入式生物电池，利用人体血糖作为可持续能源，实现医疗设备的自供能运行。本研究不仅体现了合成生物学与材料科学的交叉创新，也为发展环境友好的可持续能源技术提供了新的理念，在医疗植入设备和环境监测传感器领域展现了重要的应用价值。未来，研究团队将通过改进菌种选择、改进材料配方和精细控制电池结构、提高生物电池性能、促进技术向实际应用转换等方式，提高生物电池性能。