一種基於發電細胞的活性生物電池構建方法與流程
2023-09-10 11:05:00
本發明涉及生物製造與新能源技術領域，具體涉及一種基於發電細胞的活性生物電池構建方法。
背景技術：
隨著社會的發展，人類對能源的需求逐年增加。目前，能源構成的主體仍是石油、煤炭等傳統能源。這種不可再生能源不僅數量有限，而且會帶來較嚴重的環境汙染問題。因此，尋找一種清潔高效的可持續能源，逐步降低並擺脫對石油、煤炭資源的依賴，是亟需解決的社會問題。自然界內存在的電鰻、電鰩等帶電魚類可產生數百伏的高壓用於捕食及防衛。在其肌肉組織內，分布著數以百萬計的發電細胞，每個細胞可以產生幾十毫伏的電壓。細胞之間的獨特極性使其互相串聯，實現高壓電能的輸出。雖然已有研究利用帶電魚類的器官實現體外電能輸出，並驅動簡單的電器元件，但是尚未有基於生物生長原理的活性電池的研究報導。
技術實現要素：
為了克服上述現有技術的缺點，本發明目的是提供一種基於發電細胞的活性生物電池構建方法，構建的生物電池具有可再生、易於體內植入、清潔無汙染、水下環境適應性強等優勢，可廣泛用於生物晶片、水環境電子器件、柔性機器人等領域的能量驅動。
為了達到上述目的，本發明採取的技術方案為：
一種基於發電細胞的活性生物電池構建方法，包括以下步驟：
1)選取帶電魚類，分離帶電器官，提取器官內部的發電細胞，形成發電細胞懸浮液或發電細胞與水凝膠的混合溶液，發電細胞濃度為1×105至1×107個/ml，作為發電細胞列印/擠出成型的材料；
2)配置用於微納纖維製造的生物材料與導電材料的混合溶液，首先配置質量分數為1％至15％的生物材料溶液，然後加入導電材料使導電材料的濃度為10mg/ml至100mg/ml，通過溶解或超聲分散形成均勻的生物導電材料複合溶液，用於導電納米纖維的列印；
3)採用靜電紡絲或微納3d列印技術將生物導電材料複合溶液製造成具有微納纖維結構的支架，用於發電細胞的生長攀附和定向，經過消毒處理後，將製備的發電細胞懸浮液或發電細胞與水凝膠的混合溶液種植或列印在具有微納纖維結構的支架上，獲得微納結構與發電細胞的複合結構體；
4)將微納結構與細胞的複合結構體在體外培養，使細胞按照纖維的方向定向生長與增殖，實現細胞串聯；
5)將實現細胞串聯的微納結構與細胞的複合結構體進行卷裹或疊加，獲得三維的活性生物電池結構，然後放入由絕緣材料製造的動態生物反應器內部進行培養，形成穩定的電能輸出。
所述的步驟1)中的帶電魚類為電鰻或電鰩。
所述的步驟1)中的水凝膠為膠原、纖維蛋白或明膠。
所述的步驟2)中的導電材料包括納米銀、導電聚合物、碳納米管、石墨烯或它們的混合物，生物材料包括聚氧化乙烯、聚己內酯、聚乳酸、殼聚糖、絲素蛋白或它們的混合物。
所述的步驟5)中的絕緣材料為矽橡膠或有機玻璃。
所述的基於發電細胞的活性生物電池構建方法均在無菌環境下進行。
所述的的活性生物電池結構包括發電模塊3和電池外殼4，發電模塊3由發電細胞1、微納導電纖維支架2和細胞營養液5組成，發電細胞1為生物電池產生電能的基礎單元；發電細胞1之間由微納導電纖維支架2進行串聯或並聯連接，發電細胞1生存在細胞營養液5內，發電細胞1生存所需營養物質由細胞營養液5提供；電池外殼4作用是對發電模塊3進行封裝及保護，根據不同使用場合選用不同的絕緣材料及形狀。
本發明與現有技術對比的有益效果是：
1)借鑑帶電魚類發電細胞產生電能的機理，利用發電細胞的發電特性將生物能轉換為電能，無汙染排放，是一種清潔的電能生產方式。
2)導電纖維的微觀尺度與宏觀形貌均可以定製，細胞可按照預定軌跡在導電纖維上生長，電池形貌不受布置空間的限制，可以製造出任意形狀的生物電池。
3)所製備的生物電池模仿自發電魚類，對水下環境適應能力強。可用於新一代水下機械或電子元件的能源供給。
4)所製備的活性生物電池為使用柔性材料製造而成的柔性結構，結合生物材料的可降解性，可開發出便於體內植入的生物電池，用於生物晶片等體內植入物的能源供給。
附圖說明
圖1為本發明的生物電池構建方法示意圖。
圖2為本發明方法製備的生物電池結構示意圖。
圖3為本發明方法製備的有序納米纖維。
圖4為本發明方法列印的活性細胞螢光圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
參照圖1，一種基於發電細胞的活性生物電池構建方法，包括以下步驟：
1)選取帶電魚類，分離帶電器官，提取器官內部的發電細胞，形成發電細胞懸浮液或發電細胞與水凝膠的混合溶液，發電細胞濃度為1×105至1×107個/ml，作為發電細胞列印/擠出成型的材料；
2)配置用於微納纖維製造的生物材料與導電材料的混合溶液，首先配置質量分數為1％至15％的生物材料溶液，然後加入導電材料使導電材料的濃度為10mg/ml至100mg/ml，通過溶解或超聲分散形成均勻的生物導電材料複合溶液，用於導電納米纖維的列印；
3)採用靜電紡絲或微納3d列印技術將生物導電材料複合溶液製造成具有微納纖維結構的支架，經過消毒處理後，將製備的發電細胞懸浮液或發電細胞與水凝膠的混合溶液種植或列印在具有微納纖維結構的支架上，獲得微納結構與細胞的複合結構體；
4)將微納結構與細胞的複合結構體在體外培養，使細胞按照纖維的方向定向生長與增殖，實現細胞串聯；
5)將實現細胞串聯的微納結構與細胞的複合結構體進行卷裹或疊加，獲得三維的活性生物電池結構，然後放入由絕緣材料製造的動態生物反應器內部進行培養，形成穩定的電能輸出。
所述的步驟1)中的帶電魚類為電鰻或電鰩。
所述的步驟1)中的水凝膠為膠原、纖維蛋白或明膠。
所述的步驟2)中的導電材料包括納米銀、導電聚合物、碳納米管、石墨烯或它們的混合物，生物材料包括聚氧化乙烯、聚己內酯、聚乳酸、殼聚糖、絲素蛋白或它們的混合物。
所述的步驟5)中的絕緣材料為矽橡膠或有機玻璃。
所述的基於發電細胞的活性生物電池構建方法均在無菌環境下進行。
如圖2所示，所述的的活性生物電池結構包括發電模塊3和電池外殼4，發電模塊3由發電細胞1、微納導電纖維支架2和細胞營養液5組成，發電細胞1為生物電池產生電能的基礎單元；發電細胞1之間由微納導電纖維支架2進行串聯或並聯連接，實現電能的穩定輸出；發電細胞1生存在細胞營養液5內，發電細胞1生存所需營養物質由細胞營養液5提供；電池外殼4作用是對發電模塊3進行封裝及保護，根據不同使用場合選用不同的絕緣材料及形狀。
實施例1：一種基於發電細胞的活性生物電池構建方法，包括以下步驟：
1)選取電鰻、電鰩等帶電魚類，分離帶電器官，提取器官內部的發電細胞，形成發電細胞與水凝膠的混合溶液，發電細胞濃度為1×105至1×107個/ml，作為發電細胞列印成型的材料；
2)配置用於用於微納纖維製造的生物材料與導電材料的混合溶液，先配置質量分數為2％的聚氧化乙烯醋酸溶液，加入聚己內酯粉末使聚己內酯的質量分數為5％，形成生物材料溶液；然後加入納米銀線溶液使納米銀線的濃度為10mg/ml，使用磁力攪拌棒攪拌12小時後，超聲震蕩20分鐘，形成均勻的生物導電材料複合溶液；
3)採用近場靜電紡絲技術將生物導電材料複合溶液製造成具有有微納纖維結構的支架，用於發電細胞的生長攀附和定向，經過消毒處理後，將製備的發電細胞與水凝膠的混合溶液通過靜電列印工藝列印在具有微納纖維結構的支架上，獲得微納結構與發電細胞的複合結構體；
4)將微納結構與細胞的複合結構體在體外培養，使細胞按照纖維的方向定向生長與增殖，實現細胞串聯；
5)將實現細胞串聯的微納結構與細胞的複合結構體進行卷裹或疊加，獲得三維的活性生物電池結構，然後放入由絕緣材料製造的動態生物反應器內部進行培養，形成穩定的電能輸出。
本實施例的有益效果為：近場靜電紡絲技術可實現亞微米級別的具有有微納纖維結構的支架列印，通過增加可移動平臺、調控工藝參數等措施，可實現具有有微納纖維結構的支架宏觀結構和微觀尺度的調控；靜電列印工藝能實現發電細胞在具有有微納纖維結構的支架上的精確定位，發電細胞可沿著具有有微納纖維結構的支架生長，形成發電細胞與導電纖維的複合結構體。本實施例製備的亞微米具有有微納纖維結構的支架如圖3所示，活性細胞在具有有微納纖維結構的支架上的有序分布如圖4所示。
實施例2：一種基於發電細胞的活性生物電池構建方法，包括以下步驟：
1)選取帶電魚類，分離帶電器官，提取器官內部的發電細胞，形成發電細胞與水凝膠的混合溶液，發電細胞濃度為1×105至1×107個/ml，作為發電細胞擠出成型的材料；
2)配置用於微納纖維製造的生物材料與導電材料的混合溶液，先配置質量分數為4％的聚氧化乙烯醋酸溶液，加入聚己內酯粉末使聚己內酯的質量分數為6％，形成生物材料溶液；然後加入納米銀線溶液使納米銀線的濃度為60mg/ml，使用磁力攪拌棒攪拌12小時後，超聲震蕩20分鐘，形成均勻的生物導電材料複合溶液；
3)採用擠出成型工藝將生物導電材料複合溶液製造成具有微納纖維結構的支架，用於發電細胞的生長攀附和定向，經過消毒處理後，將步驟1)製備的發電細胞與水凝膠的混合溶液用擠出成型的方式列印在具有微納纖維結構的支架上，獲得微納結構與發電細胞的複合結構體；
4)將微納結構與細胞的複合結構體在體外培養，使細胞按照纖維的方向定向生長與增殖，實現細胞串聯；
5)將實現細胞串聯的微納結構與細胞的複合結構體進行卷裹或疊加，獲得三維的活性生物電池結構，然後放入由絕緣材料製造的動態生物反應器內部進行培養，形成穩定的電能輸出。
本實施例的有益效果為：擠出成型工藝效率較高，能實現尺度較大的具有有微納纖維結構的支架製備；發電細胞可沿著具有有微納纖維結構的支架生長，形成發電細胞與導電纖維的複合結構體。
實施例3：一種基於發電細胞的活性生物電池構建方法，包括以下步驟：
1)選取電鰻、電鰩等帶電魚類，分離帶電器官，提取器官內部的發電細胞，形成發電細胞與水凝膠的混合溶液，發電細胞濃度為1×105至1×107個/ml，用於發電細胞的種植；
2)配置用於微納纖維製造的生物材料與導電材料的混合溶液，先配置質量分數為6％的聚氧化乙烯醋酸溶液，加入聚己內酯粉末使聚己內酯的質量分數為8％，形成生物材料溶液；然後加入納米銀線溶液使納米銀線的濃度為100mg/ml，使用磁力攪拌棒攪拌12小時後，超聲震蕩20分鐘，形成均勻的生物導電材料複合溶液；
3)採用擠出成型工藝將生物導電材料複合溶液製造成具有微納纖維結構的支架，用於發電細胞的生長攀附和定向，經過消毒處理後，將步驟1)製備的發電細胞與水凝膠的混合溶液種植在具有微納纖維結構的支架上，獲得微納結構與發電細胞的複合結構體；
4)將微納結構與細胞的複合結構體在體外培養，使細胞按照纖維的方向定向生長與增殖，實現細胞串聯；
5)將實現細胞串聯的微納結構與細胞的複合結構體進行卷裹或疊加，獲得三維的活性生物電池結構，然後放入由絕緣材料製造的動態生物反應器內部進行培養，形成穩定的電能輸出。
本實施例的有益效果為：擠出成型工藝效率較高，能實現尺度較大的具有微納纖維結構的支架製備；採用種植的方式使發電細胞沿著具有微納纖維結構的支架生長，發電細胞存活率高，可實現較大的電能輸出。