【科研摘要】
為植入式醫療裝置（IMD）供電是一項長期挑戰，因為在生物環境中使用植入式醫療裝置需要長期，穩定的電源供應，並需要具有生物相容性和可生物降解性的電池系統。最近，新加坡國立大學劉向陽教授/廈門大學林乃波副教授團隊在《ACS Nano》上發表了題為Biomimetic Salinity Power Generation Based on Silk Fibroin Ion-Exchange Membranes的論文。基於仿生原理的基於絲素蛋白的離子交換膜是用於逆電滲析裝置（RED）的。絲素蛋白奈米原纖維（SNF）膜經過負向和正向修飾，產生強陽離子和陰離子選擇性，可調節離子擴散以產生電能。這些帶相反電荷的SNF膜與Ag/AgCl電極組裝成多室RED。透過用10和0.001 mM NaCl溶液填充它們，在66kΩ的外部負載電阻下可獲得0.59 mW/m2的最大輸出功率密度。此外，十對SNF膜可產生1.58 V的相當大的電壓。這項工作證明了電池系統的關鍵元件可以用蛋白質材料製造。結合水基電池技術的出現，本研究的發現為構建下一代IMD的組織整合電池提供了見識。
【主圖見析】
圖1.帶有基於蛋白質的離子交換膜的電鰻啟發濃縮池的示意圖。（a）電動鰻魚（Electrophorus electricus）的切口顯示了電器官。（b）被絕緣組織束縛的多堆細胞。（c）在啟用狀態下穿過前質膜和後質膜的離子交換。（d）後膜上啟用的Na+通道和封閉的K+通道。（e）反向電滲析裝置（RED）的工作原理。（f）透過堆疊帶有負電荷磺酸基團（SNF-SO3H）的絲素蛋白奈米原纖維（SNF）形成的互連奈米通道的陽離子選擇性。（g）具有帶正電荷的烷基取代的咪唑鎓基團（SNF-IL）的SNF膜的陰離子選擇性。
圖2.奈米原纖維基多孔膜的製備和表徵。（a）示意圖顯示帶電的絲素蛋白奈米原纖維（SNF）膜的製造過程，包括（1）對蠶繭進行脫膠；（2）用溴化鋰溶解乾燥的絲纖維；（3）透析絲素蛋白（SF）溶液，（4）加熱以誘導天然SNF，（5和6）過濾，（7）與聚賴氨酸（PL）交聯以獲得氨基官能化SNF（SNF-NH2），以及（8和9）改性以獲得磺酸酸基團（SNF-SO3H）和烷基取代的咪唑鎓基團（SNF-IL）。（b）天然SNF分散液（1 mg/mL）和溼SNF膜的照片。經仿生和軟物質研究機構許可，該徽標可作為背景使用。 （c，d）分散的天然SNF的原子力顯微鏡（AFM）觀察。（e）天然SNF膜的掃描電子顯微鏡（SEM）影象。（f）（d）中天然SNF的兩個交界點（Ljp-jp）之間的直徑和長度的分佈。（g）（d）中天然SNF的高度剖面。（h）透過堆疊SNF形成的奈米通道的示意圖。（i）具有不同PL/SNF進料比的溼SNF-NH2膜的氨基的機械強度和密度。（j）具有不同厚度的溼SNF-NH2膜的氨基的機械強度和密度。（k）PL的GPC痕跡和結構式。Mn是指PL的數均分子量。（l）SNF膜的典型應力-應變曲線。（m）相對於離子濃度的SNF粉末懸浮液的ζ電勢。
圖3. SNF-IL和SNF-SO3H膜的跨膜離子電導和選擇性離子擴散。（a）溼厚度為0.31、0.59和0.76 mm的SNF-IL的離子電導率。（b）溼厚度為0.25、0.47和0.65 mm的SNF-SO3H的離子電導率。虛線表示離子電導的體積值。（c，d）在不同濃度下具有不同溼厚度的SNF-IL（a）和SNF-SO3H（b）的膜電位矩陣。（e，f）SNF-IL（e）和SNF-SO3H（f）的估計功率密度。電位和功率密度的絕對值由色深顯示，峰值位於其相應位置。在測量中，低濃度側裝有0.001 mM NaCl溶液。
圖4.一對陽離子和陰離子選擇性SNF膜產生的電能。（a，b）具有HC-LC-HC（a）或LC-HC-LC（b）電解質佈置的三室電化學電池，其開路電壓和短路電流在不同的濃度差下（HC至 0.001毫米）。SNF-IL和SNF-SO3H的溼厚度分別為0.76和0.65 mm。膜的暴露面積為10.75 cm2。（c）一對SNF膜的平均膜滲透率（α）和電化學能量轉換效率（η）。（d）在最佳10000倍濃度差（10 mM至0.001 mM）和四對Ag/AgCl電極下，帶有HC-LC-HC電解質裝置的RED的電流密度和輸出功率密度。
圖5.用於皮下植入測試的SNF膜和微型RED的細胞相容性。（a，b）SNF膜上3T3細胞的熒光顯微照片。（c）MTT法測定接種在SNF膜上的3T3細胞。（d–f）使用SNF膜作為離子交換膜和鹽水聚丙烯醯胺水凝膠作為固體電解質的微型RED的示意圖和圖片。（g）植入Sprague-Dawley（SD）大鼠面板下的微型RED的圖片。
【總結】
研究團隊報告了透過過濾和隨後的化學修飾製備蛋白質基離子交換膜的簡便方法，並研究了其在滲透能轉換中的潛力。經過化學修飾的SNF膜SNF-IL和SNF-SO3H在低濃度範圍內表現出離子選擇性並調節離子擴散，從而實現了有效的電荷分離，從而產生了電能。在66kΩ的外部負載電阻下，觀察到的最大功率輸出為每單位0.59 mW/m2。此外，對膜會產生1.58 V的相當大的電壓。作為概念驗證，這項工作證明了電池中的關鍵元件可以用設計良好的生物相容性材料代替。 藉助適當的水基電池技術，可生物降解材料的應用將為下一代IMD的組織整合電池提供新的亮點。
參考文獻：doi.org/10.1021/acsnano.1c00820