【摘要】 此外，据报道，Gale的团队将生物燃料电池和隐形眼镜结合在一起。

从20世纪60年代开始，体外起搏器、各种可穿戴设备和植入式医疗设备在医疗保健和医学科学领域得到了发展。其中一些设备使用外部电源（如锂电池）运行，导致电池充电或更换过程中出现问题。

 

据Ayano等人[1]报道，即使是商业化的低功耗起搏器也需要大于或等于50μW的稳定电源来为医疗设备供电。因此，开发一种能够连续供电的新型电池至关重要，这种电池至少可以保持这些水平用于医疗用途。另一方面，通过基因工程可以经济高效地大量采购酶和微生物。通过使用生物化学材料，基因工程也可以应用于便携式电源和植入式电源。

 

MacVittie等人[2]已经报道了将生物燃料电池嵌入两只活龙虾中的可行性，这会产生1.2 V的电动势。嵌入式燃料电池也可以通过产生的电力作为电子手表进行操作。此外，嵌入式燃料电池可以通过电子手表利用所产生的电力进行操作。

 

此外，据报道，Gale的团队将生物燃料电池和隐形眼镜结合在一起。所制备的隐形眼镜生物燃料电池的最大功率密度为8.01±1.4μW/cm2，这是用合成泪液获得的。随着这些发展，生物燃料电池越来越受到研究界的国际关注。然而，生物燃料电池的研究和实际应用仍处于发展阶段，迄今为止，在电池性能方面，如产量和寿命，已经报道了一些问题和缺点。

 

图1显示了基于酶的生物电池在葡萄糖溶液中的结构和酶反应式。在我们的生物电池中，还原的NADH和氢离子是通过以葡萄糖为底物，氧化的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）依赖性葡萄糖脱氢酶（GDH）为阳极的催化反应产生的。

 

此外，由于氧化NADH和提取电子需要大的过电压，因此氧化还原的NADH的黄递酶（Dp）被用于产生氧化的NAD+、氢离子和电子。在阴极上，胆红素氧化酶（BOD）是一种催化氧还原的多铜氧化酶，用于通过电子、氢离子和氧的催化反应生成水。利用上述三种酶，葡萄糖产生能量。

 

图1 用于开发葡萄糖溶液空气生物电池的原理示意图

 

电子介质是一种低分子量的氧化还原物质；因此，它不适合在聚合物内进行包埋固定。因此，研究了利用静电相互作用固定酶和电子介质的方法。酶和电子介质通过静电相互作用被吸附，并使用带正电的聚（4-苯乙烯磺酸钠）溶液和阳极上的带正电聚二烯丙基二甲基氯化铵固定在电极上。PDDA溶液（2%（w/v））、GDH、Dp、NADH和维生素K3用作电子介质，沉积PSS溶液（2%），最后干燥（40°C，10分钟）以制备酶电极。使用VK3介体的CV电势如前所述应用。

 

对于阴极电极，使用铁氰化钾作为电子介质。由于BOD和K3[Fe（CN）6]在pH 7.0的缓冲溶液中表现出负电荷，因此利用了PDDA的正电荷。固定化酶和电子介体通过静电相互作用进行偶联。评估了三种电极类型（对电极：Pt，参比电极：Ag/AgCl）的循环伏安法（CV），并使用恒电位仪扫描电势，将每个酶固定的电极作为工作电极（10mV/s），测量输出电流（补充图2）。为了检查阳极，将酶电极浸入填充有葡萄糖溶液（50mmol/L）的烧杯中，并将阴极电极填充有磷酸盐缓冲溶液（pH 7.0，50mmol/L）。

 

图2 使用空气/液体多孔隔膜的基于酶的空气生物电池的示意图

 

[1] Ayano, I.K., Shikawa, Y.I., Atsumoto, D.M., Ondo, M.K., 2013. Power saving methods of the control mechanism in a cardiac pacemaker. Biomed. Eng. 51, 366–373.

[2] MacVittie, K., Halámek, J., Halámková, L., Southcott, M., Jemison, W.D., Lobel, R., Katz, E., 2013. From “cyborg” lobsters to a pacemaker powered by implantable biofuel cells. Energy Environ. Sci. 6, 81–86.

 

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