糖尿病
Adv. Mater.2023：自給自足的血糖代謝燃料電池
背景
目前可用的生物電子設(shè)備消耗太多的能量，無法在可充電電池上連續(xù)運(yùn)行，而且通常是無線供電，伴隨著可靠性、便利性和移動(dòng)性等問題。因此，一種在生理?xiàng)l件下工作的強(qiáng)大的、自給自足的、可植入的發(fā)電機(jī)的可用性將對許多應(yīng)用產(chǎn)生革命性的影響，從驅(qū)動(dòng)生物電子植入物和假體到編程細(xì)胞行為和患者的新陳代謝。在這里，利用一種新的含銅、導(dǎo)電性調(diào)諧的3D碳納米管復(fù)合材料，設(shè)計(jì)了一種可植入的血糖代謝燃料電池，該電池可以連續(xù)監(jiān)測血糖水平，在高血糖期間將多余的葡萄糖轉(zhuǎn)化為電能，并產(chǎn)生足夠的能量(0.7 mW/cm-2, 0.9 V, 50 mM葡萄糖)來驅(qū)動(dòng)工程細(xì)胞泡狀胰島素釋放的光和電遺傳調(diào)節(jié)。研究表明，在I型糖尿病的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭�，通過結(jié)合電代謝轉(zhuǎn)化和胰島素釋放介導(dǎo)的細(xì)胞消耗，將血糖監(jiān)測與消除過量血糖相結(jié)合，使代謝燃料電池能夠以自動(dòng)、自給自足和閉環(huán)的方式恢復(fù)血糖穩(wěn)態(tài)。
圖文導(dǎo)讀
（圖1用于閉環(huán)控制血糖穩(wěn)態(tài)的非酶代謝燃料細(xì)胞示意圖）
（圖2 非酶代謝燃料電池的陽極）
（圖3 非酶代謝燃料電池的陰極）
（圖4 代謝燃料電池供電的電場刺激工程人β電細(xì)胞的囊泡胰島素釋放）
（圖5 代謝燃料細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的光遺傳刺激泡狀胰島素釋放的工程人類iβ細(xì)胞）
全文總結(jié)
可穿戴和可植入的電子設(shè)備在生理信息的現(xiàn)場監(jiān)測和為實(shí)時(shí)醫(yī)療干預(yù)提供信息方面已經(jīng)變得越來越強(qiáng)大。無論這種生物電子設(shè)備和植入物是使用光作為電遺傳控制的中間物，還是基于電場的直接電遺傳界面，它們都需要大量的電能來支持監(jiān)測、處理和通信。因此，目前可用的生物電子植入物不能使用電池供電，但需要有線、或無線電源，來進(jìn)行連續(xù)操作，這限制了自充足性、可靠性和患者的方便性。理想情況下，最好是使用內(nèi)源性電源來操作生物電子植入物，以實(shí)現(xiàn)自給自足、連續(xù)和可靠的操作。在這里，通過集成分層裝飾的柔性三維納米結(jié)構(gòu)無機(jī)氧化銅催化劑，我們制造了一個(gè)代謝燃料電池，在生理血糖濃度下產(chǎn)生超過330 mV的OCV。代謝向電能的有效轉(zhuǎn)化是由納米催化氧化銅介導(dǎo)的，它將葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸鹽并生成質(zhì)子，同時(shí)通過彈道傳輸將電子通過由導(dǎo)電填料PEDOT：PSS支撐的主干。該填充物與MWCNTs壁上的自由π電子相互作用，導(dǎo)致π-π結(jié)合，其中PEDOT寡核苷酸形成與PSS鏈排列的導(dǎo)電簇，從而形成局部導(dǎo)電顆粒，增加電子的彈道傳輸。由此產(chǎn)生的代謝燃料細(xì)胞不僅能在整個(gè)生理血糖范圍內(nèi)有效地感知葡萄糖，而且還能在很長一段時(shí)間內(nèi)保持其性能和穩(wěn)定性。代謝燃料電池在生理?xiàng)l件下將多余的代謝能量轉(zhuǎn)化為電能，有望為生物電子植入物和可穿戴電子設(shè)備的應(yīng)用開辟許多新的機(jī)會(huì)。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202300890
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