Портативная био-батарея на живых гидрогелях для модуляции нервных сигналов
Разработана миниатюрная портативная био-батарея, способная генерировать электричество за счёт метаболизма бактерий и обеспечивать точную стимуляцию нервов.
Конструкция и принцип работы
Учёные из Shenzhen Institutes of Advanced Technology (Китайская академия наук) и Shenzhen University создали био-батарею диаметром 20 мм и высотой 3,2 мм. Её ключевые компоненты:
- Био-анод: «живой гидрогель» на основе альгината с инкапсулированными биоплёнками бактерий Shewanella oneidensis MR-1.
- Катод: гидрогель с K3[Fe(CN)6].
- Разделитель: мембрана Nafion для ионного обмена.
«Живые гидрогели» можно формовать методом 3D-печати.
Характеристики и преимущества
Батарея генерирует электричество за счёт метаболической активности бактерий, что обеспечивает самозарядку до 10 циклов. Также она может работать как псевдо-батарея с циклами зарядки/разрядки, демонстрируя:
- Кулоновскую эффективность >99.5% за 50 циклов (низкие потери энергии).
- Высокую жизнеспособность бактерий: >70% на протяжении всего процесса и 97.6% в конце работы.
Электрохимические параметры:
- Удельная ёмкость: 0.4 мА·ч·г−1
- Максимальная плотность мощности: ~8.31 мкВт·см−2
- Плотность энергии: 0.008 Вт·ч/л
Хотя эти значения ниже, чем у традиционных литий-ионных батарей, ключевое преимущество — устойчивость и биосовместимость. Батарея не содержит критического сырья (кобальт, литий) и экологически опасных компонентов (марганец, органические электролиты).
Применение в медицине
Исследователи продемонстрировали потенциал батареи для нейростимуляции. Нацеливаясь на седалищный и блуждающий нервы, они добились точного контроля над биоэлектрической стимуляцией и физиологическими сигналами артериального давления. Эта техника открывает перспективы для разработки новых методов физиотерапии.
Исследование, опубликованное в Advanced Materials, расширяет frontiers в области конструируемых живых энергетических материалов и предлагает инновационные решения для устойчивой энергетики и портативных биоустройств.