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電鰻(Electrophorus electricus)，南美洲的水域之霸，身軀隱匿于沉默的深淵，卻蘊藏著高達600伏的電之力量。

它不僅是自然界的一名高效捕獵者，更是大自然神奇進化的見證，將電能完美地融入生存策略中?；蛟S，不久的將來，人們也可以像電鰻一樣，擁有放電的防御和攻擊的雙重技能。

這篇Nature，也許就是這個開端。

生物集成設備需要電源來運行。盡管廣泛使用的技術，可以為大規模目標提供電力，例如，電池的有線能量供應或無線能量轉導，但在微觀尺度上有效刺激細胞和組織的需求仍然迫切。理想的微型電源應該具有生物相容性，機械柔韌性，能夠產生用于生物刺激的離子電流，而不是像傳統的電子設備那樣使用電子流。

一種方法是使用受電鰻啟發的軟能量源；然而，結合所需能力的電源尚未生產出來，因為獲得既能在使用前保存所含能量又容易觸發產生能量輸出的小型化單元是具有挑戰性的。

在此，來自英國牛津大學Yujia Zhang & Linna Zhou & Hagan Bayley等研究者開發了一種小型化的軟能量源，通過沉積脂質支持的納米級水凝膠液滴網絡，利用內部離子梯度從而產生能量。相關論文以題為“A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity”于2023年08月30日發表在Nature上。

與傳統的笨重電池相比，軟微型電源有望提高生物相容性和靈活性。電鰻的電器官是生物能源的一個例子，它利用離子通量來發電。盡管一些研究已經調查了器官的電致行為，其他人已經開發了數百平方厘米的大型功率陣列來模仿這種行為，但還沒有人創造出可以按需打開并與活細胞相互作用的多室微尺度離子電源。

電鰻的發電能力依賴于成千上萬的電細胞串聯堆疊，其中陽離子Na⁺和K⁺可以在濃度梯度的驅動下，單向通過細胞膜上的離子選擇蛋白通道。研究者通過將5個納米水凝膠(瓊脂糖)液滴按順序組合，模擬了鰻魚電器官的總體布局和機制(圖1a)。

在單個單元中，液滴的順序是：高鹽(例如CaCl₂、KCl或NaCl)、陽離子選擇性、低鹽選擇性、陰離子選擇性和另一個高鹽液滴。用電子顯微注射器將它們沉積在含脂油中。

液滴最初被單層脂質包圍，這些單層脂質在相互接觸后幾秒鐘內形成液滴界面雙層(DIBs)，從而形成穩定的無支撐結構(圖1b)。為了激活電源，將組裝好的液滴移動到無脂油中以去除脂質并拆卸DIBs。然后將液滴在4℃下凝膠化，形成連續的水凝膠結構(圖1c)。

圖1. 液滴電源的結構及輸出性能

通過使用化學活性Ag/AgCl電極，將鹽梯度釋放的能量轉化為電能，水凝膠結構可以作為能量源和外部元件的動力(圖1d)。脂質起著至關重要的作用，它能夠形成穩定的液滴網絡而不耗散能量，并按需激活動力活性；研究者的方法提供了一種在微觀尺度上構建軟離子電源的方法，據目前所知，這在以前還沒有實現過。

因此，研究者在此開發了一種小型化的軟能量源，通過沉積脂質支持的納米級水凝膠液滴網絡，利用內部離子梯度產生能量。與原始的鰻魚設計相比，研究者的方法可以將動力單元的體積縮小10⁵倍以上，并且可以儲存超過24小時的能量，可以按需運行，功率密度提高680倍，約為1,300 W m^?3。

研究者的液滴裝置，可以作為生物相容性和生物離子電流源，來調節三維神經微組織和離體小鼠腦切片中的神經網絡活動。最終，研究者的軟微型離子電子裝置可能會集成到生物體中。

圖2. 液滴體積對液滴電源電特性的影響

圖3. 模板輔助液滴網絡制作及輸出

圖4. 離子液滴裝置誘導的神經元調制

SEBS和其他封裝方法，可以打開使用離子電源為可穿戴設備和其他移動設備供電的大門。然而，還有進一步改進的余地。理想的電源應該在生理環境中工作，這樣才能在體內進行生物調節。

目前的液滴電源使用溫度變化來不可逆地觸發其活動，并且需要SEBS封裝才能在水環境中工作。通過在水環境中生產具有遠程可逆開關的三維打印液滴電源，將水轉移與脫濕方法以及光可控脂質或膜蛋白的使用相結合，可以實現在體內的應用。

在此基礎上，在水凝膠中加入其他刺激響應材料，如磁性顆粒，可以賦予遠程控制的移動性，從而在受限的生物環境中進行體內能量輸送。

未來的研究應側重于在生理條件下利用該裝置并提高整體能量容量，從而可用于為下一代生物混合界面、植入物、合成組織和微型機器人提供動力。液滴裝置也為調節各種小型細胞結構(如腦類器官和組裝體)的活性鋪平了另一條道路。

文獻信息

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

原文鏈接：

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

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