本發(fā)明涉及生物制造與新能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于發(fā)電細(xì)胞的活性生物電池構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

隨著社會的發(fā)展，人類對能源的需求逐年增加。目前，能源構(gòu)成的主體仍是石油、煤炭等傳統(tǒng)能源。這種不可再生能源不僅數(shù)量有限，而且會帶來較嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。因此，尋找一種清潔高效的可持續(xù)能源，逐步降低并擺脫對石油、煤炭資源的依賴，是亟需解決的社會問題。自然界內(nèi)存在的電鰻、電鰩等帶電魚類可產(chǎn)生數(shù)百伏的高壓用于捕食及防衛(wèi)。在其肌肉組織內(nèi)，分布著數(shù)以百萬計(jì)的發(fā)電細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞可以產(chǎn)生幾十毫伏的電壓。細(xì)胞之間的獨(dú)特極性使其互相串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)高壓電能的輸出。雖然已有研究利用帶電魚類的器官實(shí)現(xiàn)體外電能輸出，并驅(qū)動(dòng)簡單的電器元件，但是尚未有基于生物生長原理的活性電池的研究報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明目的是提供一種基于發(fā)電細(xì)胞的活性生物電池構(gòu)建方法，構(gòu)建的生物電池具有可再生、易于體內(nèi)植入、清潔無污染、水下環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，可廣泛用于生物芯片、水環(huán)境電子器件、柔性機(jī)器人等領(lǐng)域的能量驅(qū)動(dòng)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種基于發(fā)電細(xì)胞的活性生物電池構(gòu)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(nèi)部的發(fā)電細(xì)胞，形成發(fā)電細(xì)胞懸浮液或發(fā)電細(xì)胞與水凝膠的混合溶液，發(fā)電細(xì)胞濃度為1×10⁵至1×10⁷個(gè)/ml，作為發(fā)電細(xì)胞打印/擠出成型的材料；

2)配置用于微納纖維制造的生物材料與導(dǎo)電材料的混合溶液，首先配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％至15％的生物材料溶液，然后加入導(dǎo)電材料使導(dǎo)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(dǎo)電材料復(fù)合溶液，用于導(dǎo)電納米纖維的打??；

3)采用靜電紡絲或微納3d打印技術(shù)將生物導(dǎo)電材料復(fù)合溶液制造成具有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架，用于發(fā)電細(xì)胞的生長攀附和定向，經(jīng)過消毒處理后，將制備的發(fā)電細(xì)胞懸浮液或發(fā)電細(xì)胞與水凝膠的混合溶液種植或打印在具有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架上，獲得微納結(jié)構(gòu)與發(fā)電細(xì)胞的復(fù)合結(jié)構(gòu)體；

4)將微納結(jié)構(gòu)與細(xì)胞的復(fù)合結(jié)構(gòu)體在體外培養(yǎng)，使細(xì)胞按照纖維的方向定向生長與增殖，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞串聯(lián)；

5)將實(shí)現(xiàn)細(xì)胞串聯(lián)的微納結(jié)構(gòu)與細(xì)胞的復(fù)合結(jié)構(gòu)體進(jìn)行卷裹或疊加，獲得三維的活性生物電池結(jié)構(gòu)，然后放入由絕緣材料制造的動(dòng)態(tài)生物反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行培養(yǎng)，形成穩(wěn)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(dǎo)電材料包括納米銀、導(dǎo)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(nèi)酯、聚乳酸、殼聚糖、絲素蛋白或它們的混合物。

所述的步驟5)中的絕緣材料為硅橡膠或有機(jī)玻璃。

所述的基于發(fā)電細(xì)胞的活性生物電池構(gòu)建方法均在無菌環(huán)境下進(jìn)行。

所述的的活性生物電池結(jié)構(gòu)包括發(fā)電模塊3和電池外殼4，發(fā)電模塊3由發(fā)電細(xì)胞1、微納導(dǎo)電纖維支架2和細(xì)胞營養(yǎng)液5組成，發(fā)電細(xì)胞1為生物電池產(chǎn)生電能的基礎(chǔ)單元；發(fā)電細(xì)胞1之間由微納導(dǎo)電纖維支架2進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)連接，發(fā)電細(xì)胞1生存在細(xì)胞營養(yǎng)液5內(nèi)，發(fā)電細(xì)胞1生存所需營養(yǎng)物質(zhì)由細(xì)胞營養(yǎng)液5提供；電池外殼4作用是對發(fā)電模塊3進(jìn)行封裝及保護(hù)，根據(jù)不同使用場合選用不同的絕緣材料及形狀。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對比的有益效果是：

1)借鑒帶電魚類發(fā)電細(xì)胞產(chǎn)生電能的機(jī)理，利用發(fā)電細(xì)胞的發(fā)電特性將生物能轉(zhuǎn)換為電能，無污染排放，是一種清潔的電能生產(chǎn)方式。

2)導(dǎo)電纖維的微觀尺度與宏觀形貌均可以定制，細(xì)胞可按照預(yù)定軌跡在導(dǎo)電纖維上生長，電池形貌不受布置空間的限制，可以制造出任意形狀的生物電池。

3)所制備的生物電池模仿自發(fā)電魚類，對水下環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)?？捎糜谛乱淮聶C(jī)械或電子元件的能源供給。

4)所制備的活性生物電池為使用柔性材料制造而成的柔性結(jié)構(gòu)，結(jié)合生物材料的可降解性，可開發(fā)出便于體內(nèi)植入的生物電池，用于生物芯片等體內(nèi)植入物的能源供給。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的生物電池構(gòu)建方法示意圖。

圖2為本發(fā)明方法制備的生物電池結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明方法制備的有序納米纖維。

圖4為本發(fā)明方法打印的活性細(xì)胞熒光圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

參照圖1，一種基于發(fā)電細(xì)胞的活性生物電池構(gòu)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(nèi)部的發(fā)電細(xì)胞，形成發(fā)電細(xì)胞懸浮液或發(fā)電細(xì)胞與水凝膠的混合溶液，發(fā)電細(xì)胞濃度為1×10⁵至1×10⁷個(gè)/ml，作為發(fā)電細(xì)胞打印/擠出成型的材料；

2)配置用于微納纖維制造的生物材料與導(dǎo)電材料的混合溶液，首先配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％至15％的生物材料溶液，然后加入導(dǎo)電材料使導(dǎo)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(dǎo)電材料復(fù)合溶液，用于導(dǎo)電納米纖維的打?。?/p>

3)采用靜電紡絲或微納3d打印技術(shù)將生物導(dǎo)電材料復(fù)合溶液制造成具有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架，經(jīng)過消毒處理后，將制備的發(fā)電細(xì)胞懸浮液或發(fā)電細(xì)胞與水凝膠的混合溶液種植或打印在具有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架上，獲得微納結(jié)構(gòu)與細(xì)胞的復(fù)合結(jié)構(gòu)體；

4)將微納結(jié)構(gòu)與細(xì)胞的復(fù)合結(jié)構(gòu)體在體外培養(yǎng)，使細(xì)胞按照纖維的方向定向生長與增殖，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞串聯(lián)；

5)將實(shí)現(xiàn)細(xì)胞串聯(lián)的微納結(jié)構(gòu)與細(xì)胞的復(fù)合結(jié)構(gòu)體進(jìn)行卷裹或疊加，獲得三維的活性生物電池結(jié)構(gòu)，然后放入由絕緣材料制造的動(dòng)態(tài)生物反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行培養(yǎng)，形成穩(wěn)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(dǎo)電材料包括納米銀、導(dǎo)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(nèi)酯、聚乳酸、殼聚糖、絲素蛋白或它們的混合物。

所述的步驟5)中的絕緣材料為硅橡膠或有機(jī)玻璃。

所述的基于發(fā)電細(xì)胞的活性生物電池構(gòu)建方法均在無菌環(huán)境下進(jìn)行。

如圖2所示，所述的的活性生物電池結(jié)構(gòu)包括發(fā)電模塊3和電池外殼4，發(fā)電模塊3由發(fā)電細(xì)胞1、微納導(dǎo)電纖維支架2和細(xì)胞營養(yǎng)液5組成，發(fā)電細(xì)胞1為生物電池產(chǎn)生電能的基礎(chǔ)單元；發(fā)電細(xì)胞1之間由微納導(dǎo)電纖維支架2進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)連接，實(shí)現(xiàn)電能的穩(wěn)定輸出；發(fā)電細(xì)胞1生存在細(xì)胞營養(yǎng)液5內(nèi)，發(fā)電細(xì)胞1生存所需營養(yǎng)物質(zhì)由細(xì)胞營養(yǎng)液5提供；電池外殼4作用是對發(fā)電模塊3進(jìn)行封裝及保護(hù)，根據(jù)不同使用場合選用不同的絕緣材料及形狀。

實(shí)施例1：一種基于發(fā)電細(xì)胞的活性生物電池構(gòu)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(nèi)部的發(fā)電細(xì)胞，形成發(fā)電細(xì)胞與水凝膠的混合溶液，發(fā)電細(xì)胞濃度為1×10⁵至1×10⁷個(gè)/ml，作為發(fā)電細(xì)胞打印成型的材料；

2)配置用于用于微納纖維制造的生物材料與導(dǎo)電材料的混合溶液，先配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的聚氧化乙烯醋酸溶液，加入聚己內(nèi)酯粉末使聚己內(nèi)酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％，形成生物材料溶液；然后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(shí)后，超聲震蕩20分鐘，形成均勻的生物導(dǎo)電材料復(fù)合溶液；

3)采用近場靜電紡絲技術(shù)將生物導(dǎo)電材料復(fù)合溶液制造成具有有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架，用于發(fā)電細(xì)胞的生長攀附和定向，經(jīng)過消毒處理后，將制備的發(fā)電細(xì)胞與水凝膠的混合溶液通過靜電打印工藝打印在具有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架上，獲得微納結(jié)構(gòu)與發(fā)電細(xì)胞的復(fù)合結(jié)構(gòu)體；

4)將微納結(jié)構(gòu)與細(xì)胞的復(fù)合結(jié)構(gòu)體在體外培養(yǎng)，使細(xì)胞按照纖維的方向定向生長與增殖，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞串聯(lián)；

5)將實(shí)現(xiàn)細(xì)胞串聯(lián)的微納結(jié)構(gòu)與細(xì)胞的復(fù)合結(jié)構(gòu)體進(jìn)行卷裹或疊加，獲得三維的活性生物電池結(jié)構(gòu)，然后放入由絕緣材料制造的動(dòng)態(tài)生物反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行培養(yǎng)，形成穩(wěn)定的電能輸出。

本實(shí)施例的有益效果為：近場靜電紡絲技術(shù)可實(shí)現(xiàn)亞微米級別的具有有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架打印，通過增加可移動(dòng)平臺、調(diào)控工藝參數(shù)等措施，可實(shí)現(xiàn)具有有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架宏觀結(jié)構(gòu)和微觀尺度的調(diào)控；靜電打印工藝能實(shí)現(xiàn)發(fā)電細(xì)胞在具有有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架上的精確定位，發(fā)電細(xì)胞可沿著具有有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架生長，形成發(fā)電細(xì)胞與導(dǎo)電纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu)體。本實(shí)施例制備的亞微米具有有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架如圖3所示，活性細(xì)胞在具有有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架上的有序分布如圖4所示。

實(shí)施例2：一種基于發(fā)電細(xì)胞的活性生物電池構(gòu)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(nèi)部的發(fā)電細(xì)胞，形成發(fā)電細(xì)胞與水凝膠的混合溶液，發(fā)電細(xì)胞濃度為1×10⁵至1×10⁷個(gè)/ml，作為發(fā)電細(xì)胞擠出成型的材料；

2)配置用于微納纖維制造的生物材料與導(dǎo)電材料的混合溶液，先配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4％的聚氧化乙烯醋酸溶液，加入聚己內(nèi)酯粉末使聚己內(nèi)酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6％，形成生物材料溶液；然后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(shí)后，超聲震蕩20分鐘，形成均勻的生物導(dǎo)電材料復(fù)合溶液；

3)采用擠出成型工藝將生物導(dǎo)電材料復(fù)合溶液制造成具有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架，用于發(fā)電細(xì)胞的生長攀附和定向，經(jīng)過消毒處理后，將步驟1)制備的發(fā)電細(xì)胞與水凝膠的混合溶液用擠出成型的方式打印在具有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架上，獲得微納結(jié)構(gòu)與發(fā)電細(xì)胞的復(fù)合結(jié)構(gòu)體；

4)將微納結(jié)構(gòu)與細(xì)胞的復(fù)合結(jié)構(gòu)體在體外培養(yǎng)，使細(xì)胞按照纖維的方向定向生長與增殖，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞串聯(lián)；

5)將實(shí)現(xiàn)細(xì)胞串聯(lián)的微納結(jié)構(gòu)與細(xì)胞的復(fù)合結(jié)構(gòu)體進(jìn)行卷裹或疊加，獲得三維的活性生物電池結(jié)構(gòu)，然后放入由絕緣材料制造的動(dòng)態(tài)生物反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行培養(yǎng)，形成穩(wěn)定的電能輸出。

本實(shí)施例的有益效果為：擠出成型工藝效率較高，能實(shí)現(xiàn)尺度較大的具有有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架制備；發(fā)電細(xì)胞可沿著具有有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架生長，形成發(fā)電細(xì)胞與導(dǎo)電纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu)體。

實(shí)施例3：一種基于發(fā)電細(xì)胞的活性生物電池構(gòu)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(nèi)部的發(fā)電細(xì)胞，形成發(fā)電細(xì)胞與水凝膠的混合溶液，發(fā)電細(xì)胞濃度為1×10⁵至1×10⁷個(gè)/ml，用于發(fā)電細(xì)胞的種植；

2)配置用于微納纖維制造的生物材料與導(dǎo)電材料的混合溶液，先配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6％的聚氧化乙烯醋酸溶液，加入聚己內(nèi)酯粉末使聚己內(nèi)酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8％，形成生物材料溶液；然后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(shí)后，超聲震蕩20分鐘，形成均勻的生物導(dǎo)電材料復(fù)合溶液；

3)采用擠出成型工藝將生物導(dǎo)電材料復(fù)合溶液制造成具有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架，用于發(fā)電細(xì)胞的生長攀附和定向，經(jīng)過消毒處理后，將步驟1)制備的發(fā)電細(xì)胞與水凝膠的混合溶液種植在具有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架上，獲得微納結(jié)構(gòu)與發(fā)電細(xì)胞的復(fù)合結(jié)構(gòu)體；

4)將微納結(jié)構(gòu)與細(xì)胞的復(fù)合結(jié)構(gòu)體在體外培養(yǎng)，使細(xì)胞按照纖維的方向定向生長與增殖，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞串聯(lián)；

5)將實(shí)現(xiàn)細(xì)胞串聯(lián)的微納結(jié)構(gòu)與細(xì)胞的復(fù)合結(jié)構(gòu)體進(jìn)行卷裹或疊加，獲得三維的活性生物電池結(jié)構(gòu)，然后放入由絕緣材料制造的動(dòng)態(tài)生物反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行培養(yǎng)，形成穩(wěn)定的電能輸出。

本實(shí)施例的有益效果為：擠出成型工藝效率較高，能實(shí)現(xiàn)尺度較大的具有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架制備；采用種植的方式使發(fā)電細(xì)胞沿著具有微納纖維結(jié)構(gòu)的支架生長，發(fā)電細(xì)胞存活率高，可實(shí)現(xiàn)較大的電能輸出。