民众好！今天来了解一篇《A microscale soft lithium-ion battery for tissue stimulation》发表于《Nature Chemical Engineering》的论文。在现在科技迅猛发展的期间，电子建树收敛朝着袖珍化迈进，这对其驱动电源提倡了严苛要求，尤其在生物医学范围，电源需兼具小尺寸、柔嫩性、生物相容性与多功能性。关连词，现存的电板期间难以十足满足这些需求。这篇著作聚焦于一种微型软锂离子电板，它为组织刺激提供能源支抓。这项盘问服从有望填补面前的期间空缺，开启微型电板在生物医学诓骗的新篇章，让咱们一同来研究它的玄妙。

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一、盘问配景与动机

在现在科技发展的程度中，电子建树的袖珍化趋势愈发显耀，这就伏击需要与之相匹配的轻捷电板当作驱动电源。尤其是在生物医学范围，为了完毕微创操作，电板不仅要具备小尺寸，还需选用柔嫩、生物相容性好且可生物降解的材料，同期最佳领有诸如可触发激活、辛勤适度移动等尽头功能。关连词，面前市集上还枯竭这么多功能的微型软电板。

天然基于水凝胶的锂离子电板已展现出部分所需脾性，但在电板架构的微规范制造方面仍濒临挑战，举例难以完毕水凝胶基阴极、隔阂和阳极在亚毫米级的自拼装集成，以及幸免材料在预凝胶或凝胶化历程中的夹杂等问题。此前虽有盘问报谈了一种通过千里积脂质支抓的纳升水凝胶液滴收罗制成的微型离子电源，但该电源存在功率低、不行十足充电、激活条目残忍、功能有限以及在生理环境中输出性能不及等诸多局限。因此，研发一种新式的微型软锂离子电板具有宏玩忽旨。

二、LiDB的想象与制备

（一）结构组成

LiDB的单个单位由三个颠倒的丝水凝胶液滴组成。阴极液滴中包含锂锰氧化物（LiMn₂O₄，LMO）颗粒和碳纳米管（CNT），阳极液滴含有钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂，LTO）颗粒和CNT，中间的液滴则以氯化锂（LiCl）当作隔阂。这些液滴被千里积在含有脂质的油中，液滴周围当先会被单层脂质包裹，当液滴互相战役时，几秒内脂质就会在液滴界面酿成双层结构（DIB），从而构建出厚实且无需扶直的结构。

（二）制备历程

在制备LiDB时，需在暗室中使用非交联的黄/红光条目下操作。将含有不同要素的丝水凝胶前体溶液（制备前添加特定物资并搅动避光保存）通过可编程微量打针器，注入到定制的疏水玻璃孔中的脂质油中，酿成液滴。当液滴互相战役酿成DIB后，LiDB可通过毛细作用被吸入截断的移液器顶端，并升沉到其他孔中进行后续处理。为激活LiDB，将其露馅于紫外线（365nm，功率密度>0.5mWcm⁻²）下60秒，使丝水凝胶发生光化学交联，疏忽DIB并酿成一语气的丝水凝胶结构，从而完毕电板的激活。

三、LiDB的性能特色

（一）电化学性能

轮回伏安脾性：通过三电极系统对阴极和阳极水凝胶电极进行轮回伏安测试，散伙标明丝水凝胶在职责电位范围内电化学厚实，两个电极的氧化还原反馈可可逆进行。

充放电性能：在1μA电流下，1μl液滴的LiDB平均放电电压平台为0.65V，体积容量在不同电流下发达出色，如在1、0.5和0.2μA时，体积容量分裂可达17、27和46nAhμl⁻¹。

在厚实性方面，经过50次轮回后，其输出容量仍能保抓72%以上，且在裁减充放电电流至0.5μA时，输出容量可收复。此外，电板在充放电历程中的温度变化极小，厚实存储时刻向上48小时。

（二）微型化上风

跟着液滴体积的减小，LiDB的性能得到显耀升迁。由于脂质支抓的液滴自拼装神色，减小液滴体积会加多名义积与体积比，为电板充放电提供更多反馈位点，从而增强库仑服从和体积容量。举例，将液滴体积从3μl安定到10nl时，体积容量从当先的较低值加多到约570nAhμl⁻¹，这一数值在全水凝胶锂离子电板中是前所未有的，且此时LiDB的单位长度约为600μm，体积比较之前的职责安定了99.7%。

通过串联多个LiDB单位，还能提高输出电压，如串联六个单位时，开路电压可达约3.3V，可成效为发光二极管和液晶自满定时器等电子建树供电。

四、LiDB在组织刺激中的诓骗

（一）驱动合成组织中带电分子迁徙

本质想象旨趣：为了完毕对合成细胞间通信的电驱动，盘问东谈主员想象了一种颠倒的本质安装。通过贯串一双电子-离子调遣液滴，将LiDB的电子电流调遣为离子通量，从而在贯串的液滴中产生电泳风光，驱动带电分子迁徙。

本质散伙展示：以阳离子吡罗宁Y和阴离子MANT-dATP当作荧光记号物进行本质。在莫得DIB的水凝胶液滴和通过α-溶血素（αHL）贯串的含DIB的水合成细胞中进行测试，散伙标明，在LiDB供电10分钟后，阳离子吡罗宁Y曙光极移动，阴离子MANT-dATP向阴极移动。

在含DIB的水合成细胞中，带电分子或者通过镶嵌DIB中的αHL孔成效插足规画细胞。通过忖度规画液滴与非规画液滴的荧光比值来量化信号传输，发现水合成细胞比较水凝胶细胞具有更高的荧光比值，这可能是由于DIB扼制了自觉分子扩散，减少了非规画细胞中的分子积聚。

（二）小鼠腹黑的体外除颤与起搏

除颤本质历程与散伙：LiDB在与Langendorff驻守的小鼠腹黑径直战役时，或者产生直放逐电，完毕除颤功能，收复腹黑的常常窦性节拍。本质中，将LiDB轻轻遗弃在腹黑名义，其水凝胶会径直粘附在心外膜上。

在乌本苷溶液蛊卦小鼠腹黑出现室性心动过速和心室震撼时，LiDB的附着和分离可当作除颤历程的初始和收尾，在5秒内即可将心律失常调遣为常常心律，且去除LiDB后腹黑能在5秒内收复窦性心律，腹黑功能无恶化。

同期，盘问东谈主员通过将一双电极附着在腹黑心外膜上施加15-45μA直流电进行对比本质，考证了LiDB刺激相当于约30μA直流电刺激。

生物相容性考证：通过将LiDB与小鼠成纤维细胞、东谈主真皮成纤维细胞或东谈主蛊卦多颖慧细胞（iPS）繁衍的心肌细胞共培养48小时，进行活/死染色，以及在共培养7天后进行细胞活力、细胞毒性和凋一火测定，散伙标明LiDB具有细腻的生物相容性。

腹黑pacing本质：伙同LiDB刺激与光遗传光pacing，可产生设施的心律，摒除异位心跳，从而准确自满LiDB刺激激发的心跳变化。

此外，通过LiDB供电的起搏器电路进行有线战役，可完毕更复杂的腹黑行径适度，如区域特异性腹黑pacing。

五、磁控LiDB的脾性与诓骗

（一）磁控移动旨趣与完毕

通过在中央隔阂液滴中加入磁性镍（Ni）颗粒，赋予了LiDB磁性操控能力。这些Ni颗粒不会影响水凝胶的酿成，对电板输出影响也不显耀。在磁场作用下，LiDB可在油中或从油相升沉到水相中移动，举例在迷宫本质中，LiDB可在磁场雷同下从一双充电电极移动到一双规画电极开释能量。经过十次轮回后，LiDB仍能保抓77%以上的输出容量。

（二）跨相能量传递与生物降解

在水相中的诓骗方面，盘问东谈主员将LiDB从油相雷同至含规画电极的水相（1MLiCl溶液，辞让Li走漏），发现LiDB在水相中的输出电压低于水的电解电压（约1.23V），因此或者常常职责，但容量会裁减至油相中的67%，这可能是由于水凝胶随时刻延迟导致名义积与体积比下落。在水相中，LiDB的丝可被卵白酶K酶解，最终仅留住极少残留物资。

六、盘问转头与瞻望

（一）盘问服从转头

本盘问成效开垦出一种微型软锂离子电板LiDB，它通过纳米级水凝胶液滴自拼装而成，具备按需激活、高能量密度、细腻的生物相容性和可降解性等优点，在合成组织和腹黑组织刺激方面展现出不凡的性能，如驱动带电分子迁徙、完毕腹黑除颤和pacing等，且磁控功能使其有望诓骗于更多场景。

（二）盘问局限性与瞻望

尽管赢得了显耀服从，但盘问仍存在一些局限性。举例，水的电化学厚实窗口截至了水凝胶基电板的输出电压，使其低于固态电板；在液滴千里积历程中，为辞让喷嘴堵塞，Li颗粒的质地负载需截至在20%w/v以下，从而裁减了电板的最大容量。异日盘问可通过改良液滴拼装要领（如声学打印、微流控千里积等）、使用更小的Li颗粒或处理喷嘴来处理这些问题，进一步升迁LiDB的性能。此外，本设政策略有望诓骗于其他水凝胶和掺杂剂构建更多类型的微型能量安装，在微机器东谈主、合成组织、生物-非生物界面和植入式医疗建树等范围具有广博的诓骗远景。

七、统统来作念作念题吧

1、LiDB 单个单位中，阴极液滴包含的物资是（ ）

A. 锂钛氧化物（Li₄Ti₅O₁₂，LTO）颗粒和碳纳米管（CNT）

B. 锂锰氧化物（LiMn₂O₄，LMO）颗粒和碳纳米管（CNT）

C. 氯化锂（LiCl）

D. 丝绸卵白（Silk fibroin）

2、在驱动带电分子迁徙本质中，以下对于调遣液滴的说法正确的是（ ）

A. 调遣液滴由丝绸卵白和脂质组成

B. 调遣液滴的作用是将离子电流调遣为电子通量

C. 调遣液滴中含有聚（3,4 - 乙撑二氧噻吩） - 聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）用于电流调遣

D. 调遣液滴只贯串在 LiDB 的阴极

3、LiDB 对小鼠腹黑进行除颤时，以下说法漏洞的是（ ）

A. LiDB 通过产生强电场收复腹黑的窦性节拍

B. 除颤历程中，LiDB 的附着和分离对腹黑电生理行径影响最大

C. 乌本苷溶液可蛊卦小鼠腹黑产生室性心动过速和心室震撼，用于测试 LiDB 的除颤功能

D. LiDB 除颤后，腹黑功能会有幽微恶化，但能在短时刻内收复

4、对于磁控 LiDB，以下正确的是（ ）

A. 磁性镍（Ni）颗粒加入使 LiDB 输出电压显耀提高

B. LiDB 从油相升沉到水相后，由于水的导电性更好，其输出容量显耀加多

C. LiDB 在水相中的输出电压低于水的电解电压，是以能常常职责

D. 磁场只可适度 LiDB 在油相中的移动，无法使其从油相插足水相

5、以下哪项不是面前盘问中 LiDB 存在的局限性（ ）

A. 水的电化学厚实窗口截至了输出电压

B. Li 颗粒质地负载有限影响电板容量

C. 无法完毕可触发激活功能

D. 液滴拼装要领有待改良以升迁性能

参考文件：

Zhang Y.九游体育娱乐网, et al. A microscale soft lithium-ion battery for tissue stimulation. Nat Chem Eng (2024).