丝网印刷纳米功能材料用于柔性可穿戴的自供电生物传感装置

研究背景

柔性生物电子学有许多有用的和多功能的应用，如可穿戴设备。与刚性的传统平台不同柔性设备提供了一个独特的机会来匹配柔软表面的曲率。例如，现代身体上的电子设备，如用于跟踪运动和监测生化的智能织物，正在迅速扩大。软体机器人和仿人机器人也从柔性系统中受益。智能柔性设备为持续的健身监测开辟了新的机会，并通过实现健康监测而彻底改变了医疗保健。无论何种应用，从实用和审美的角度来看，这些设备应该是完全集成的、轻巧的、灵活的和自主的。为了实现理想的功能，有必要制定一些策略。进一步减少设备尺寸和制造成本是其中之一。为了实现这一目标，将定制的材料和工程理念纳入柔性生物电子学的新设计中是至关重要的。

推进全集成柔性设备的一个关键障碍是缺乏能量。为了克服柔性设备的能量需求，一种常见的方法是提高柔性储能设备的体积容量和功率密度。然而，传统系统仍然使用没有自充电技术的刚性电池；因此，它们必须定期充电或更换。除了储能系统外，人们对将周围能量(如生物力学、生物化学和太阳能)转化为电能的能量收集技术的兴趣越来越大。在实现能源可持续概念的愿望的激励下，将人类生物液体中可用的生化能量转化为电能的酶生物燃料电池(BFCs)是最强大的能源生产替代品之一。这是由于它们具有在环境温度和温和的生理条件下具有活性的酶的操作优势，允许在生物系统中进行体外、植入和摄取的应用。

尽管在开发基于 BFC的能量收集器或自供电的生物传感器方面取得了实质性的进展，但目前大多数技术使用的是双酶配置的BFC(在一个生物阳极和一个生物阴极上使用不同的酶)双酶 BFC 的发展面临着关键的挑战。首先，不同的酶需要不同的操作条件，如 pH值。使用带有分离膜和分离室的黄金标准设置的实验室应用与现实世界的应用之间存在着巨大的差异。管理 pH 值对可穿戴设备和小型化设备来说太有挑战性了；很难为可穿戴阳极控制一个pH 值，同时为阴极调整另一个 pH 值。这些因素会影响 BFC 的性能。此外，使用两种酶使BFC 的设计复杂化，并增加其成本。因此，我们的目标是通过在阳极和阴极上只用一种酶来设计新的 BFC，以解决这种巨大的挑战。

研究成果

开发灵活的生物电子学对于实现人工智能设备和生物医学应用 (如可穿戴设备)至关重要但其潜力受到可持续能源供应的限制。酶生物燃料电池(BFC)在供电方面很有前景，但其使用受到整合多种酶和刚性平台的挑战的限制。本文展示了第一个可丝网印刷的纳米复合材料油墨的例子，该油墨被设计为一个基于单酶的能量收集装置和一个由葡萄糖驱动的生物阳极和生物阴极的自供电生物传感器。阳极油墨用蔡配和多壁碳纳米管 (MWCNTS) 改性而阴极油墨在固定葡萄糖氧化酶之前用普鲁士蓝/MWCNT 混合体改性。灵活的生物阳极和生物阴极消耗葡萄糖。这种BFC 产生的开路电压为0.45 V，最大功率密度为266 uW cm-2该可穿戴设备加上一个无线便携系统可以将化学能转换成电能，并检测人工汗液中的葡萄糖。这个自供电的传感器可以检测到高达 10 mM 的葡萄糖浓度。常见的干扰物质，包括乳酸、尿酸、抗坏血酸和肌酥，对这种自供电的生物传感器没有影响。此外，该装置可以承受多种机械变形。油墨开发的新进展和灵活的平台使广泛的应用成为可能，包括身上的电子设备、自我可持续的应用和智能织物。相关研究以“Screen‑Printable Functional Nanomaterials for Flexible and Wearable Single‑Enzyme‑Based Energy‑Harvesting and Self‑Powered Biosensing Devices”为题发表在Nano-Micro Letters期刊上。泰国宋卡王子大学Itthipon Jeerapan教授为文章通讯作者。

图文导读

Fig. 1 The conceptual presentation of a screen-printed and flexible single-enzyme-based system for harvesting energy from glucose and self-powered sensing glucose.

Fig. 2 Characterizations of the anode.

Fig. 3 Characterizations of the cathode.

Fig. 4 A BFC and a self-powered glucose biosensor.

Fig. 5 Applications of a flexible single-enzyme-based energy-harvesting device and self-powered biosensors.

Fig. 6 Electrical and electrochemical endurance of the printed device under multiple deformations.

总结与展望

这项工作展示了一个为无膜单酶能量收集装置和自供电生物传感器开发的丝网印刷功能油墨的例子，两个电极由相同的底物(葡萄糖)供电。生物阳极的反应依赖于葡萄糖的氧化而生物阴极则依赖于 H2O2 的还原。单酶 BFC 的OCV 为 0.45V，最大功率密度为 266 μW cm-2，电流密度为1.3 mAcm-2，葡糖含量为20 mM。该BFC 被成功地用于从人工汗液中收集能量，作为表皮能量收集的代表和现实生活中自供电的葡萄糖生物传感器。此外，该系统在许多小时内具有良好的运行稳定性。通过创造新颖的丝网印刷油墨，该传感器能够结合多种基材，包括橡胶、塑料、表皮纹身和可拉伸的纺织品，并且在 PET(作为代表性的柔性基材)上印刷的电极具有良好的机械回弹。这些特性为身体上的、非侵入性的、自供电的生物传感和能量收集应用带来了巨大的希望。进一步的研究可以关注在其他不同基材上丝网印刷的油墨的功能和耐久性。扩大油墨制备过程的工业化规模对于使这一想法在下一代柔性生物电子学中成为现实也很重要。有可能通过与其他体外或无线生物电子学的整合来利用这一装置，以跟踪运动和监测其他生物化学物质。此外，通过关注射频电路、电源转换器和传感器接口的设计，有可能利用节能微系统的设计来实现小型化系统和生物医学应用。

文献链接

Screen‑Printable Functional Nanomaterials for Flexible and Wearable Single‑Enzyme‑Based Energy‑Harvesting and Self‑Powered Biosensing Devices

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01045-1

转自：“i学术i科研”微信公众号

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