近日，牛津大学 Hagan Bayley 教授、周琳娜博士、张瑜伽博士团队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。相关工作在 Nature 期刊发表了题为 “ A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity ” 研究论文。张瑜伽博士为一作兼通讯，现为牛津大学 Hagan Bayley 教授实验室博士后。
通过沉积具有脂质支持的纳升级水凝胶液滴网络，开发了一种微型化的软电源，这种水凝胶液滴使用内部离子梯度来产生能量。与最初以鳗鱼为灵感的设计相比，本研究的方法可以将功率单元的体积缩小105倍以上，并且可以存储的能量超过24 h，使按需操作的功率密度增加680倍，约为1,300 W m−3。本研究的液滴设备可以作为生物兼容和生物离子电流源，调节三维神经微组织和体外小鼠脑片中的神经元网络活动。最终，本研究的软微尺度离子电子设备可能会集成到活的有机体中。
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)。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。
使用脂质支撑的水凝胶液滴建立软电源的优势之一是易于小型化。将液滴的体积从1,000 nL减少99.8%至1.84 nL，导致输出电压(36%，从136 μmV至87 μmV)和电流(70%，从2.7至0.83 μA；图2a)的相应下降。这些减少可能归因于液滴内阻的增加和选择性液滴的浓度极化增加。与体积的下降相比，电压和电流的降幅很小。事实上，1.84 nL的液滴在匹配电阻处的平均能量密度增加了约100倍，达到约1,300 W m−3，比先前以鳗鱼为灵感的设计增加了约680倍，比随后的纸凝胶设计增加了约5倍(图2b)。虽然小型化电源释放的总电荷较低(图2b)，但可以串联和/或并联多个电源单元以增加输出电压和/或电流。VOC随着串联单元数量的增加而增加；ISC和释放的总电荷随着并联单元数量的增加而增加(图2c)。
对于更大规模的液滴网络，重要的是在不增加液滴厚度的情况下增加不同功能液滴层之间的接触面积。因此，保持低内阻（小尺寸）同时增加串联或并联单元的数量会分别增加输出电压或电流。为了扩大小液滴的组装规模以适应更大规模的应用，作者采用了模板方法，将多个液滴沉积到三维打印的树脂模具中，以生产预先设计图案的动力单元（图3a，b）。作者制造了内径为600 μm的圆柱形模具，大约是4nl液滴直径的三倍。在每个模具中，他们沉积了七个液滴（4 nl），它们在几秒钟内自发组装成六边形“花状”图案（图3c，d）。将五个自组装的液滴六边形，其内容对应于一个动力单元的五个液滴，堆叠在更深的圆柱形模具中，以在三个维度上形成更大的电源网络（图3e）。为了证明多液滴组件的产量增加，作者在螺旋模具中串联组装了20个五液滴单元（图3f）。首先沉积高盐液滴，其次沉积阳离子选择性液滴，第三次沉积低盐液滴，最后沉积阴离子选择性液滴（图3g）。螺旋电源可以点亮发光二极管，这需要施加约2V的电势（图3h）。
研究了液滴装置对神经元活动的影响。高盐和离子选择性液滴可共同作为一个开放的液滴装置，通过其终端连接到外部组件（图 4a）。当这种开放式装置连接到离子浓度较低的液滴时，就会形成一条导电通路，使离子电流（约 2.6 µA）流经连接的液滴（图 4b、c）。延时记录显示了液滴装置连接到含有神经元的液滴时神经元调制的时空过程（图 4d）。神经元活动与离子电流的相关性表明，神经元活动是由液滴装置引起的，而不是自发的。在不同培养期（3、10和17天）和离体小鼠脑切片后，通过向神经微组织施加基于Ca2+的离子电流来证明神经元活性的调节。相比之下，在使用第 17 天神经微组织的实验中，1 号液滴中的神经元在与液滴装置连接的 15 秒内同时受到调制，而没有出现之前在第 3 天神经微组织中观察到的波状荧光模式（图 4d）。他们计算了每个网络的荧光中心（加权平均距离），以量化荧光强度所显示的离子电流调制位移（图 4e）。第 17 天的神经微组织显示出与体内外小鼠脑组织相似的荧光位移，明显低于第 3 天和第 10 天神经微组织的位移（图 4f）。
总之，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。
