下一代生物電子設(shè)備所追求的高性能電池，關(guān)鍵在于能量以及與生物系統(tǒng)的深度協(xié)作。盡管傳統(tǒng)電池在工程領(lǐng)域已達到極限，但其剛性、毒性以及不可降解等特點，難以適應(yīng)人體靈活多變的環(huán)境，嚴(yán)重限制了其在生物醫(yī)學(xué)電子植入物中的進一步應(yīng)用。
2025 年 9 月 1 日，浙江大學(xué)賀永教授、吳夢婕教授、尹俊研究員等在 Cell 子刊 Cell Biomaterials 上發(fā)表了題為：A biohydrogel battery 的研究論文。
該研究首次通過光聚合-3D 打印方法設(shè)計并探索了一種可降解生物水凝膠電池（biohydrogel battery，BHB），采用導(dǎo)電離子甲基丙烯?；蛩彳浌撬兀–hsMA）-甲基丙烯?；髂z（GelMA）水凝膠和 InGa3-Cu 納米顆粒作為電源，其展現(xiàn)出卓越的機械性能和生物相容性。這一生物水凝膠電池能夠在 1.5 V 電壓下可靠地輸出 0.001-6 毫安的電流，以支持微電流驅(qū)動的組織再生和高電流驅(qū)動的心臟起搏，為組織刺激和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了新的途徑。
水凝膠作為三維交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)和功能與生物組織具有相似性，在生物工程領(lǐng)域具有巨大潛力。水凝膠具有出色的生物相容性、柔軟性、可調(diào)的機械性能以及高度的水合度，與生物體內(nèi)的組織高度匹配，因此在生物傳感器、藥物輸送、組織工程和電子皮膚等生物應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用。盡管水凝膠在生物電子學(xué)領(lǐng)域具有諸多顯著優(yōu)勢，但其實際應(yīng)用仍受到諸多挑戰(zhàn)的阻礙，尤其是在需要整合多種材料和功能方面。
鎵（Ga）基液態(tài)金屬（LM）在室溫（RT）下呈無定形結(jié)構(gòu)且處于液態(tài)，其模量低且表面潤濕性良好，能與水凝膠有效結(jié)合。這種結(jié)構(gòu)提高了水凝膠的電導(dǎo)率和機械性能，促進了其在柔性生物電子設(shè)備中的應(yīng)用。然而，液態(tài)金屬與水凝膠的結(jié)合主要局限于傳感器和物理化學(xué)檢測領(lǐng)域，在能源領(lǐng)域的探索則相對有限。
盡管生物電子設(shè)備的供電系統(tǒng)至關(guān)重要，但現(xiàn)有電池在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用仍受到顯著限制。傳統(tǒng)電池通常存在生物相容性差、不可降解、剛性強以及質(zhì)量大等問題，這可能會對周圍組織造成損害，并引發(fā)潛在毒性的擔(dān)憂。例如，不可降解的金屬基電池會在體內(nèi)積聚并引發(fā)長期毒性作用。此外，當(dāng)前的能量轉(zhuǎn)換和存儲系統(tǒng)難以滿足靈活適應(yīng)和長期性能的要求。因此，在生物工程領(lǐng)域開發(fā)一種具有高能量、生物相容性和體內(nèi)可降解性的電池已成為關(guān)鍵挑戰(zhàn)，其中水凝膠作為電解質(zhì)和結(jié)構(gòu)支撐來實現(xiàn)能量存儲和轉(zhuǎn)換。
為解決傳統(tǒng)電池存在的生物相容性差和不可生物降解的問題，研究團隊開發(fā)了一種可降解的柔性電源--光聚合 3D 打印生物水凝膠電池，采用導(dǎo)電離子水凝膠和 InGa3-Cu 納米顆粒分別作為電解質(zhì)和電極，在降解期間能產(chǎn)生穩(wěn)定的電流。在內(nèi)部離子梯度的驅(qū)動下，InGa3-Cu 納米顆粒會自發(fā)降解釋放出自由離子，從而在 1.5 V 時維持 0.001 - 6 毫安的穩(wěn)定電流。
這種生物水凝膠電池具有 50 微米的高打印精度，其拉伸應(yīng)變和壓縮率分別達到 200% 和 95%，與生物組織的機械性能相匹配。此外，它還能以雙電流模式運行，提供微電流（0.001-1 毫安）促進組織再生，以及高電流（1-6 毫安）實現(xiàn)有效的心臟起搏。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell-biomaterials/fulltext/S3050-5623(25)00180-1
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