通訊單位：德國開姆尼茨工業大學

DOI: 10.1038/s41467-021-24863-6

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目前，可應用於體內的能量儲存器件最小尺寸也大於3 mm3，並且缺乏可持續驅動如智慧電子和微型機器人等複雜系統的能力。在本文中，作者設計出一種管狀生物超級電容器，儘管體積僅為1/1000 mm3 (=1納升)，但其在血液中的傳輸電壓高達1.6 V。這種奈米生物超級電容器的管狀結構可提供有效的自我保護，以抵抗血液脈動或肌肉收縮產生的外力。而且，血液中天然存在的氧化還原酶和活細胞可以將器件的效能提高40%，並有助於解決微型超級電容器的自放電問題。在滿容量的情況下，奈米生物超級電容器可以驅動一個複雜的整合感測器系統，用來測量血液中的pH值。

背景介紹

近年來，微電子技術在血管內植入物、體內智慧粉塵、小型自主系統等領域取得了卓越的成就，但其對能夠自給自足執行的微型儲能裝置需求卻越來越難以滿足。最常見的亞毫米級儲能裝置是微型電化學電容器(也稱為微型超級電容器)，但它們大部分依賴於非生物相容性材料，以及面臨著快速自放電問題，因此不適合體內應用。與之相比，生物超級電容器(BSCs)具有生物相容性的優勢，可以透過生物電催化反應對自放電行為進行補償。這種生物電催化反應會在生物陽極處產生質子。在生物流體中，生成的質子可被活細胞用以執行代謝過程，或被氧化還原酶和葡萄糖用以觸發催化還原。而且，這些複雜的生物反應會釋放能量，而BSCs可以利用這些能量來補償自放電。

因此，在本文中，作者設計出一種可在生物電解液(醫用生理鹽水、血漿和血液)中工作的全微系統整合、生物增強及穩定的奈米生物超級電容器(nBSC)。透過將平面結構自組裝成三維緊湊的管狀構型，該nBSC具有非常小的尺寸(1 × 10-3 mm3 = 1nL)，這種小尺寸反過來又可以使nBSC在血液流動條件下穩定執行，具有在不同的溫度、脈動和外力(高達60 kPa)下的自我保護。在nBSC器件中，能量儲存和離子傳輸發生在兩個100 nm薄的柔性PEDOT:PSS氧化還原電極層之間，並透過500 nm的光圖案化聚乙烯醇(PVA)質子交換隔膜和血液作為電解液。在該設計中，質子交換隔膜和緊湊的“Swiss-roll”結構分別是解決自放電和微型化的關鍵要素。此外，透過使用SU8光刻膠對nBSC進行鈍化，可以使器件能夠在高工作電位(1 V–1.6 V)下執行，而不會在生物電解液(血液和血漿)中產生任何氣體。研究發現，nBSC的電容隨電解液pH值的變化而變化。將三個帶電的nBSC與基於nBSC的環形振盪器進行整合，作者成功實現了一個用於監測血液pH值的自供電感測器。該設計在個性化醫療領域具有廣泛的應用潛力。

圖文解析

圖1. nBSC的製備與電化學效能：(a)成型前nBSC的顯微鏡照片，比例尺為200µm；(b) Swiss-roll狀nBSC的顯微鏡照片，比例尺為200µm；nBSCs陣列在(c)成型前，(d)成型後變為管狀Swiss-roll的顯微鏡照片，比例尺為500µm；(e) Swiss-roll狀nBSC的活性組分，其中空心部分為血液流動；(f)掃描速率為100mV s−1時，nBSCs在不同生物電解液(NaCl、血漿、血液)中的CV曲線；(g)施加電流為50nA時的GCD曲線；(h)在不同電解液中體積比電容與施加電流的關係；(i) 100nA電流下不同電位視窗時的GCD曲線；(j)該器件在血液中5000次迴圈的電容保持率和庫侖效率。

圖2. nBSC中的生物增強機制：兩個工作電極在不同電解液中的離子傳輸和儲能機制示意圖，(a)在生理鹽水中鈉離子和氯離子存在時的法拉第反應，(b)在血漿電解液中酶存在時的法拉第反應耦合生物電催化過程，(c) ATP合成耦合生物電化學反應增強血液中nBSC的電化學響應；(d)以Ag/AgCl為參比電極，以鉑為對電極，測試樣品為工作電極的三電極體系，用以確定氧化還原/催化反應；(e)掃描速率為30mV s−1時，各種工作電極在血液電解液中的CV曲線；(f)掃描速率為30mV s−1時，各種工作電極在NaCl電解液中的CV曲線；(g) nBSCs在不同電解液下1.5 h的自放電/自充電；(h)血液電解液中5000x GCD測試後的自放電曲線，插圖為管狀nBSC在5000x GCD測試後的截面圖。

圖3. 生理相關條件下的nBSC效能：靜態條件下的溫度相關性測試，(a)掃描速率為100mV s−1時nBSC在血液電解液中不同溫度下的CV曲線，(b)施加電壓為50nA時nBSC在血液電解液中不同溫度下的GCD曲線，(c) nBSCs在不同電解液中體積比電容與溫度的關係；(d-f) 25°C下的動態流動相關性測試，(d)掃描速率為100mV s−1時nBSC在血液電解液中不同流速下的CV曲線，(e)施加電壓為50nA時nBSC在血液電解液中不同流速下的GCD曲線，(f) nBSCs在不同電解液中體積比電容與流速的關係；(g) nBSCs在血液電解液中的體積電容與施加壓力的關係，插圖為壓縮前(頂部)和壓縮後(底部)的nBSC，比例尺為200 µm；(h)重複壓力15 kPa時，器件100次迴圈的電容保持率和庫侖效率，插圖為100次迴圈的GCD曲線。

圖4. nBSC作為自驅動pH感測器：整合pH感測器在(a)捲起前和(b)捲起後的顯微圖，插圖為操作電路，比例尺為200µm；(c) nBSC體積電容和相對頻率變化與電解液pH的關係；(d) nBSC基pH感測器在各種pH電解液中的頻譜響應；(e)輸出電壓擺幅與電解液pH值的關係。

總結與展望

本文中，作者開發出一種體積比立方毫米小一千倍的自充電型奈米生物超級電容器，該裝置與血管系統的血流動力學條件相容，並在能量儲存和功率輸出方面表現出穩定的效能。此外，該裝置可以與複雜的微電子電路相結合，以測試血液中的區域性pH值，從而潛在地揭示癌細胞的形成。結合表面電極功能化，也可以實現葡萄糖、抗壞血酸、尿酸、多巴胺和乳酸的選擇性感測，從而揭示其它潛在疾病。為了讓nBSC裝置轉化為真正的生物醫學應用，還需要解決以下幾個挑戰：nBSCs的體內無繫帶充電能力；裝置封裝問題以防止蛋白質、細胞、細菌等引起的免疫反應和生物汙染；以最小侵入性在血管網路中植入nBSCs；非功能性裝置的生物可降解性。

Lee, Y., Bandari, V.K., Li, Z. et al. Nano-biosupercapacitors enable autarkic sensor operation in blood. Nat. Commun. 12, 4967 (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-24863-6.

文獻連結：https://doi.org/10.1038/s41467-021-24863-6

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