一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法与流程

本发明涉及生物制造与新能源技术领域，具体涉及一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法。

背景技术：

随着社会的发展，人类对能源的需求逐年增加。目前，能源构成的主体仍是石油、煤炭等传统能源。这种不可再生能源不仅数量有限，而且会带来较严重的环境污染问题。因此，寻找一种清洁高效的可持续能源，逐步降低并摆脱对石油、煤炭资源的依赖，是亟需解决的社会问题。自然界内存在的电鳗、电鳐等带电鱼类可产生数百伏的高压用于捕食及防卫。在其肌肉组织内，分布着数以百万计的发电细胞，每个细胞可以产生几十毫伏的电压。细胞之间的独特极性使其互相串联，实现高压电能的输出。虽然已有研究利用带电鱼类的器官实现体外电能输出，并驱动简单的电器元件，但是尚未有基于生物生长原理的活性电池的研究报道。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明目的是提供一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法，构建的生物电池具有可再生、易于体内植入、清洁无污染、水下环境适应性强等优势，可广泛用于生物芯片、水环境电子器件、柔性机器人等领域的能量驱动。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法，包括以下步骤：

1)选取带电鱼类，分离带电器官，提取器官内部的发电细胞，形成发电细胞悬浮液或发电细胞与水凝胶的混合溶液，发电细胞浓度为1×10⁵至1×10⁷个/ml，作为发电细胞打印/挤出成型的材料；

2)配置用于微纳纤维制造的生物材料与导电材料的混合溶液，首先配置质量分数为1％至15％的生物材料溶液，然后加入导电材料使导电材料的浓度为10mg/ml至100mg/ml，通过溶解或超声分散形成均匀的生物导电材料复合溶液，用于导电纳米纤维的打印；

3)采用静电纺丝或微纳3d打印技术将生物导电材料复合溶液制造成具有微纳纤维结构的支架，用于发电细胞的生长攀附和定向，经过消毒处理后，将制备的发电细胞悬浮液或发电细胞与水凝胶的混合溶液种植或打印在具有微纳纤维结构的支架上，获得微纳结构与发电细胞的复合结构体；

4)将微纳结构与细胞的复合结构体在体外培养，使细胞按照纤维的方向定向生长与增殖，实现细胞串联；

5)将实现细胞串联的微纳结构与细胞的复合结构体进行卷裹或叠加，获得三维的活性生物电池结构，然后放入由绝缘材料制造的动态生物反应器内部进行培养，形成稳定的电能输出。

所述的步骤1)中的带电鱼类为电鳗或电鳐。

所述的步骤1)中的水凝胶为胶原、纤维蛋白或明胶。

所述的步骤2)中的导电材料包括纳米银、导电聚合物、碳纳米管、石墨烯或它们的混合物，生物材料包括聚氧化乙烯、聚己内酯、聚乳酸、壳聚糖、丝素蛋白或它们的混合物。

所述的步骤5)中的绝缘材料为硅橡胶或有机玻璃。

所述的基于发电细胞的活性生物电池构建方法均在无菌环境下进行。

所述的的活性生物电池结构包括发电模块3和电池外壳4，发电模块3由发电细胞1、微纳导电纤维支架2和细胞营养液5组成，发电细胞1为生物电池产生电能的基础单元；发电细胞1之间由微纳导电纤维支架2进行串联或并联连接，发电细胞1生存在细胞营养液5内，发电细胞1生存所需营养物质由细胞营养液5提供；电池外壳4作用是对发电模块3进行封装及保护，根据不同使用场合选用不同的绝缘材料及形状。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

1)借鉴带电鱼类发电细胞产生电能的机理，利用发电细胞的发电特性将生物能转换为电能，无污染排放，是一种清洁的电能生产方式。

2)导电纤维的微观尺度与宏观形貌均可以定制，细胞可按照预定轨迹在导电纤维上生长，电池形貌不受布置空间的限制，可以制造出任意形状的生物电池。

3)所制备的生物电池模仿自发电鱼类，对水下环境适应能力强。可用于新一代水下机械或电子元件的能源供给。

4)所制备的活性生物电池为使用柔性材料制造而成的柔性结构，结合生物材料的可降解性，可开发出便于体内植入的生物电池，用于生物芯片等体内植入物的能源供给。

附图说明

图1为本发明的生物电池构建方法示意图。

图2为本发明方法制备的生物电池结构示意图。

图3为本发明方法制备的有序纳米纤维。

图4为本发明方法打印的活性细胞荧光图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1，一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法，包括以下步骤：

1)选取带电鱼类，分离带电器官，提取器官内部的发电细胞，形成发电细胞悬浮液或发电细胞与水凝胶的混合溶液，发电细胞浓度为1×10⁵至1×10⁷个/ml，作为发电细胞打印/挤出成型的材料；

2)配置用于微纳纤维制造的生物材料与导电材料的混合溶液，首先配置质量分数为1％至15％的生物材料溶液，然后加入导电材料使导电材料的浓度为10mg/ml至100mg/ml，通过溶解或超声分散形成均匀的生物导电材料复合溶液，用于导电纳米纤维的打印；

3)采用静电纺丝或微纳3d打印技术将生物导电材料复合溶液制造成具有微纳纤维结构的支架，经过消毒处理后，将制备的发电细胞悬浮液或发电细胞与水凝胶的混合溶液种植或打印在具有微纳纤维结构的支架上，获得微纳结构与细胞的复合结构体；

4)将微纳结构与细胞的复合结构体在体外培养，使细胞按照纤维的方向定向生长与增殖，实现细胞串联；

5)将实现细胞串联的微纳结构与细胞的复合结构体进行卷裹或叠加，获得三维的活性生物电池结构，然后放入由绝缘材料制造的动态生物反应器内部进行培养，形成稳定的电能输出。

所述的步骤1)中的带电鱼类为电鳗或电鳐。

所述的步骤1)中的水凝胶为胶原、纤维蛋白或明胶。

所述的步骤2)中的导电材料包括纳米银、导电聚合物、碳纳米管、石墨烯或它们的混合物，生物材料包括聚氧化乙烯、聚己内酯、聚乳酸、壳聚糖、丝素蛋白或它们的混合物。

所述的步骤5)中的绝缘材料为硅橡胶或有机玻璃。

所述的基于发电细胞的活性生物电池构建方法均在无菌环境下进行。

如图2所示，所述的的活性生物电池结构包括发电模块3和电池外壳4，发电模块3由发电细胞1、微纳导电纤维支架2和细胞营养液5组成，发电细胞1为生物电池产生电能的基础单元；发电细胞1之间由微纳导电纤维支架2进行串联或并联连接，实现电能的稳定输出；发电细胞1生存在细胞营养液5内，发电细胞1生存所需营养物质由细胞营养液5提供；电池外壳4作用是对发电模块3进行封装及保护，根据不同使用场合选用不同的绝缘材料及形状。

实施例1：一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法，包括以下步骤：

1)选取电鳗、电鳐等带电鱼类，分离带电器官，提取器官内部的发电细胞，形成发电细胞与水凝胶的混合溶液，发电细胞浓度为1×10⁵至1×10⁷个/ml，作为发电细胞打印成型的材料；

2)配置用于用于微纳纤维制造的生物材料与导电材料的混合溶液，先配置质量分数为2％的聚氧化乙烯醋酸溶液，加入聚己内酯粉末使聚己内酯的质量分数为5％，形成生物材料溶液；然后加入纳米银线溶液使纳米银线的浓度为10mg/ml，使用磁力搅拌棒搅拌12小时后，超声震荡20分钟，形成均匀的生物导电材料复合溶液；

3)采用近场静电纺丝技术将生物导电材料复合溶液制造成具有有微纳纤维结构的支架，用于发电细胞的生长攀附和定向，经过消毒处理后，将制备的发电细胞与水凝胶的混合溶液通过静电打印工艺打印在具有微纳纤维结构的支架上，获得微纳结构与发电细胞的复合结构体；

4)将微纳结构与细胞的复合结构体在体外培养，使细胞按照纤维的方向定向生长与增殖，实现细胞串联；

5)将实现细胞串联的微纳结构与细胞的复合结构体进行卷裹或叠加，获得三维的活性生物电池结构，然后放入由绝缘材料制造的动态生物反应器内部进行培养，形成稳定的电能输出。

本实施例的有益效果为：近场静电纺丝技术可实现亚微米级别的具有有微纳纤维结构的支架打印，通过增加可移动平台、调控工艺参数等措施，可实现具有有微纳纤维结构的支架宏观结构和微观尺度的调控；静电打印工艺能实现发电细胞在具有有微纳纤维结构的支架上的精确定位，发电细胞可沿着具有有微纳纤维结构的支架生长，形成发电细胞与导电纤维的复合结构体。本实施例制备的亚微米具有有微纳纤维结构的支架如图3所示，活性细胞在具有有微纳纤维结构的支架上的有序分布如图4所示。

实施例2：一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法，包括以下步骤：

1)选取带电鱼类，分离带电器官，提取器官内部的发电细胞，形成发电细胞与水凝胶的混合溶液，发电细胞浓度为1×10⁵至1×10⁷个/ml，作为发电细胞挤出成型的材料；

2)配置用于微纳纤维制造的生物材料与导电材料的混合溶液，先配置质量分数为4％的聚氧化乙烯醋酸溶液，加入聚己内酯粉末使聚己内酯的质量分数为6％，形成生物材料溶液；然后加入纳米银线溶液使纳米银线的浓度为60mg/ml，使用磁力搅拌棒搅拌12小时后，超声震荡20分钟，形成均匀的生物导电材料复合溶液；

3)采用挤出成型工艺将生物导电材料复合溶液制造成具有微纳纤维结构的支架，用于发电细胞的生长攀附和定向，经过消毒处理后，将步骤1)制备的发电细胞与水凝胶的混合溶液用挤出成型的方式打印在具有微纳纤维结构的支架上，获得微纳结构与发电细胞的复合结构体；

4)将微纳结构与细胞的复合结构体在体外培养，使细胞按照纤维的方向定向生长与增殖，实现细胞串联；

5)将实现细胞串联的微纳结构与细胞的复合结构体进行卷裹或叠加，获得三维的活性生物电池结构，然后放入由绝缘材料制造的动态生物反应器内部进行培养，形成稳定的电能输出。

本实施例的有益效果为：挤出成型工艺效率较高，能实现尺度较大的具有有微纳纤维结构的支架制备；发电细胞可沿着具有有微纳纤维结构的支架生长，形成发电细胞与导电纤维的复合结构体。

实施例3：一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法，包括以下步骤：

1)选取电鳗、电鳐等带电鱼类，分离带电器官，提取器官内部的发电细胞，形成发电细胞与水凝胶的混合溶液，发电细胞浓度为1×10⁵至1×10⁷个/ml，用于发电细胞的种植；

2)配置用于微纳纤维制造的生物材料与导电材料的混合溶液，先配置质量分数为6％的聚氧化乙烯醋酸溶液，加入聚己内酯粉末使聚己内酯的质量分数为8％，形成生物材料溶液；然后加入纳米银线溶液使纳米银线的浓度为100mg/ml，使用磁力搅拌棒搅拌12小时后，超声震荡20分钟，形成均匀的生物导电材料复合溶液；

3)采用挤出成型工艺将生物导电材料复合溶液制造成具有微纳纤维结构的支架，用于发电细胞的生长攀附和定向，经过消毒处理后，将步骤1)制备的发电细胞与水凝胶的混合溶液种植在具有微纳纤维结构的支架上，获得微纳结构与发电细胞的复合结构体；

4)将微纳结构与细胞的复合结构体在体外培养，使细胞按照纤维的方向定向生长与增殖，实现细胞串联；

5)将实现细胞串联的微纳结构与细胞的复合结构体进行卷裹或叠加，获得三维的活性生物电池结构，然后放入由绝缘材料制造的动态生物反应器内部进行培养，形成稳定的电能输出。

本实施例的有益效果为：挤出成型工艺效率较高，能实现尺度较大的具有微纳纤维结构的支架制备；采用种植的方式使发电细胞沿着具有微纳纤维结构的支架生长，发电细胞存活率高，可实现较大的电能输出。