图1 人体肠道结构(图源:pixabay)
胶囊内镜则比普通胃肠镜轻松很多,患者只需要吞下一颗胶囊,就可以对胃肠道内部连续快速拍摄影像,监测胃肠道的异常情况。虽然目前进入商业化的胶囊内镜可用功能仅限于成像和一些生理参数的监测,但当胶囊内镜与传感、药物输送、手术干预和远程数据通信技术相结合时,将具备更高的应用潜力。此外,胶囊内镜正从被动依靠肠道蠕动向着主动驱动发展,将能更好地完成长期监测和精确定位治疗功能。
不过,过去的研究主要集中在传感、驱动和其他许多新功能组件的开发和集成上,却忽视了动力来源的重要性。目前的胶囊内镜多依赖于原电池,但原电池体积大、寿命有限、具有生物毒性,使得其在保证长期运行和系统集成上“心有余而力不足”。而在肠道环境中,想要通过收集机械能或者热能的方法为胶囊内镜摄取能量,不仅受限于位置,不能保证能源的稳定供应,而且能量转换效率低下。从体外进行的无线电力传输也是一样,还需要外部设备。酶燃料电池则面临酶保质期短且不稳定的挑战。
为此,纽约州立大学宾厄姆顿分校的生物电池研究人员提出了一种利用细菌发电的解决方案。这一方案利用了小肠环境中接近37℃的稳定内部温度、中性的pH值和富含营养的肠液,使得在饥饿条件下休眠成内生孢子的细菌,在营养充足时复苏,并在新陈代谢的过程中产生细菌生物电。相关成果以“A Biobattery Capsule for Ingestible Electronics in the Small Intestine: Biopower Production from Intestinal Fluids Activated Germination of Exoelectrogenic Bacterial Endospores”为题发表于Advanced Energy Materials。
图3 生物电池胶囊整体工作原理(图源:[1])
不过,能达到这一效果并不仅仅依靠枯草芽孢杆菌。这是一种弱产电原,其电子转移依赖于间接、低效的自分泌介质。为了提升其胞外电子转移(extracellular electron transfer,EET)效率,并集成到适合的胶囊大小,电池阳极的设计需要满足以下要求:1)微孔结构保证较大的表面积,能支持更多的细菌附着并输送营养给细菌代谢;2)卓越的导电和电催化能力以提高细菌的EET率;3)足够的机械强度作为细菌附着的支架;4)较高的液体吸附能力和芯吸肠液能力;5)对于细菌具有良好的生物相容性和生物亲和性。为此,研究人员专门创造了一种新材料:PEDOT:PSS水凝胶。
图4 扫描电子显微镜下PEDOT:PSS水凝胶具有原始PEDOT:PSS固体不具备的3D微孔结构(图源:[1])
而为了能让细菌在缺氧的小肠环境中稳定地氧化营养物质,通过呼吸代谢产生电子和质子,研究人员使用了加州大学圣地亚哥分校团队提出的一种长寿命富氧阴极,并证实了其在低或波动氧气浓度下作为内部氧气可靠来源的可行性。
最终,研究人员在模拟食道、胃、小肠的三种水性缓冲溶液中测试胶囊的性能。由于食道环境pH值也是中性,虽然胶囊一般会在不到10秒内通过食道,研究人员将时间延长到了1分钟,确保胶囊外的膜层不会在食道中溶解。结果表明,胶囊在食道和胃的模拟溶液中均未产生电输出,而在小肠中,大约在20分钟内产生了约0.55V的电压。
进一步在模拟肠液中进行概念验证,胶囊表现出了更好的电气性能,达到了约0.6V的开路电压、98µW cm-2的功率密度,以及445µW cm-2的电流密度。若在胶囊内串联两枚电池,功率和输出电压将进一步提升,显示出这种微生物燃料电池的巨大潜力。
不过,这项研究的通讯作者、Thomas J. Watson工程与应用科学学院电气与计算机工程系Seokheun Choi教授表示,未来“还有很长的路要走”。
撰文|风立宵
排版|文竞择
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参考资料:
[1]Maryam Rezaie, Zahra Rafiee, Seokheun Choi, A Biobattery Capsule for Ingestible Electronics in the Small Intestine: Biopower Production from Intestinal Fluids Activated Germination of Exoelectrogenic Bacterial Endospores, Advanced Energy Materials (2022).
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