电鳗放电，Nature一篇！

电鳗(Electrophorus electricus)，南美洲的水域之霸，身躯隐匿于沉默的深渊，却蕴藏着高达600伏的电之力量。

它不仅是自然界的一名高效捕猎者，更是大自然神奇进化的见证，将电能完美地融入生存策略中。或许，不久的将来，人们也可以像电鳗一样，拥有放电的防御和攻击的双重技能。

这篇Nature，也许就是这个开端。

生物集成设备需要电源来运行。尽管广泛使用的技术，可以为大规模目标提供电力，例如，电池的有线能量供应或无线能量转导，但在微观尺度上有效刺激细胞和组织的需求仍然迫切。理想的微型电源应该具有生物相容性，机械柔韧性，能够产生用于生物刺激的离子电流，而不是像传统的电子设备那样使用电子流。

一种方法是使用受电鳗启发的软能量源；然而，结合所需能力的电源尚未生产出来，因为获得既能在使用前保存所含能量又容易触发产生能量输出的小型化单元是具有挑战性的。

在此，来自英国牛津大学Yujia Zhang & Linna Zhou & Hagan Bayley等研究者开发了一种小型化的软能量源，通过沉积脂质支持的纳米级水凝胶液滴网络，利用内部离子梯度从而产生能量。相关论文以题为“A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity”于2023年08月30日发表在Nature上。

与传统的笨重电池相比，软微型电源有望提高生物相容性和灵活性。电鳗的电器官是生物能源的一个例子，它利用离子通量来发电。尽管一些研究已经调查了器官的电致行为，其他人已经开发了数百平方厘米的大型功率阵列来模仿这种行为，但还没有人创造出可以按需打开并与活细胞相互作用的多室微尺度离子电源。

电鳗的发电能力依赖于成千上万的电细胞串联堆叠，其中阳离子Na⁺和K⁺可以在浓度梯度的驱动下，单向通过细胞膜上的离子选择蛋白通道。研究者通过将5个纳米水凝胶(琼脂糖)液滴按顺序组合，模拟了鳗鱼电器官的总体布局和机制(图1a)。

在单个单元中，液滴的顺序是：高盐(例如CaCl₂、KCl或NaCl)、阳离子选择性、低盐选择性、阴离子选择性和另一个高盐液滴。用电子显微注射器将它们沉积在含脂油中。

液滴最初被单层脂质包围，这些单层脂质在相互接触后几秒钟内形成液滴界面双层(DIBs)，从而形成稳定的无支撑结构(图1b)。为了激活电源，将组装好的液滴移动到无脂油中以去除脂质并拆卸DIBs。然后将液滴在4℃下凝胶化，形成连续的水凝胶结构(图1c)。

图1. 液滴电源的结构及输出性能

通过使用化学活性Ag/AgCl电极，将盐梯度释放的能量转化为电能，水凝胶结构可以作为能量源和外部元件的动力(图1d)。脂质起着至关重要的作用，它能够形成稳定的液滴网络而不耗散能量，并按需激活动力活性；研究者的方法提供了一种在微观尺度上构建软离子电源的方法，据目前所知，这在以前还没有实现过。

因此，研究者在此开发了一种小型化的软能量源，通过沉积脂质支持的纳米级水凝胶液滴网络，利用内部离子梯度产生能量。与原始的鳗鱼设计相比，研究者的方法可以将动力单元的体积缩小10⁵倍以上，并且可以储存超过24小时的能量，可以按需运行，功率密度提高680倍，约为1,300 W m⁻³。

研究者的液滴装置，可以作为生物相容性和生物离子电流源，来调节三维神经微组织和离体小鼠脑切片中的神经网络活动。最终，研究者的软微型离子电子装置可能会集成到生物体中。

图2. 液滴体积对液滴电源电特性的影响

图3. 模板辅助液滴网络制作及输出

图4. 离子液滴装置诱导的神经元调制

SEBS和其他封装方法，可以打开使用离子电源为可穿戴设备和其他移动设备供电的大门。然而，还有进一步改进的余地。理想的电源应该在生理环境中工作，这样才能在体内进行生物调节。

目前的液滴电源使用温度变化来不可逆地触发其活动，并且需要SEBS封装才能在水环境中工作。通过在水环境中生产具有远程可逆开关的三维打印液滴电源，将水转移与脱湿方法以及光可控脂质或膜蛋白的使用相结合，可以实现在体内的应用。

在此基础上，在水凝胶中加入其他刺激响应材料，如磁性颗粒，可以赋予远程控制的移动性，从而在受限的生物环境中进行体内能量输送。

未来的研究应侧重于在生理条件下利用该装置并提高整体能量容量，从而可用于为下一代生物混合界面、植入物、合成组织和微型机器人提供动力。液滴装置也为调节各种小型细胞结构(如脑类器官和组装体)的活性铺平了另一条道路。

文献信息

Zhang, Y., Riexinger, J., Yang, X. et al. A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity. Nature 620, 1001–1006 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06295-y

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06295-y

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