大家好！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。在当今科技迅猛发展的时代，电子设备不断朝着小型化迈进，这对其驱动电源提出了严苛要求，尤其在生物医学领域，电源需兼具小尺寸、柔软性、生物相容性与多功能性。然而，现有的电池技术难以完全满足这些需求。这篇文章聚焦于一种微型软锂离子电池，它为组织刺激提供动力支持。这项研究成果有望填补当前的技术空白，开启微型电池在生物医学应用的新篇章，让我们一同来探究它的奥秘。

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景与动机

在当今科技发展的进程中，电子设备的小型化趋势愈发显著，这就迫切需要与之相匹配的微小电池作为驱动电源。尤其是在生物医学领域，为了实现微创操作，电池不仅要具备小尺寸，还需采用柔软、生物相容性好且可生物降解的材料，同时最好拥有诸如可触发激活、远程控制移动等额外功能。然而，目前市场上还缺乏这样多功能的微型软电池。

虽然基于水凝胶的锂离子电池已展现出部分所需特性，但在电池架构的微尺度制造方面仍面临挑战，例如难以实现水凝胶基阴极、隔膜和阳极在亚毫米级的自组装集成，以及避免材料在预凝胶或凝胶化过程中的混合等问题。此前虽有研究报道了一种通过沉积脂质支持的纳升水凝胶液滴网络制成的微型离子电源，但该电源存在功率低、不能完全充电、激活条件苛刻、功能有限以及在生理环境中输出性能不足等诸多局限。因此，研发一种新型的微型软锂离子电池具有重要意义。

二、LiDB的设计与制备

（一）结构组成

LiDB的单个单元由三个特殊的丝水凝胶液滴构成。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）作为隔膜。这些液滴被沉积在含有脂质的油中，液滴周围最初会被单层脂质包裹，当液滴相互接触时，几秒内脂质就会在液滴界面形成双层结构（DIB），从而构建出稳定且无需支撑的结构。

（二）制备过程

在制备LiDB时，需在暗室中使用非交联的黄/红光条件下操作。将含有不同成分的丝水凝胶前体溶液（制备前添加特定物质并搅拌避光保存）通过可编程微量注射器，注入到定制的疏水玻璃孔中的脂质油中，形成液滴。当液滴相互接触形成DIB后，LiDB可通过毛细作用被吸入截断的移液器尖端，并转移到其他孔中进行后续处理。为激活LiDB，将其暴露于紫外线（365nm，功率密度>0.5mWcm⁻²）下60秒，使丝水凝胶发生光化学交联，打破DIB并形成连续的丝水凝胶结构，从而实现电池的激活。

三、LiDB的性能特点

（一）电化学性能

循环伏安特性：通过三电极系统对阴极和阳极水凝胶电极进行循环伏安测试，结果表明丝水凝胶在工作电位范围内电化学稳定，两个电极的氧化还原反应可可逆进行。

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表现出色，如在1、0.5和0.2μA时，体积容量分别可达17、27和46nAhμl⁻¹。

在稳定性方面，经过50次循环后，其输出容量仍能保持72%以上，且在降低充放电电流至0.5μA时，输出容量可恢复。此外，电池在充放电过程中的温度变化极小，稳定存储时间超过48小时。

（二）微型化优势

随着液滴体积的减小，LiDB的性能得到显著提升。由于脂质支持的液滴自组装方式，减小液滴体积会增加表面积与体积比，为电池充放电提供更多反应位点，从而增强库仑效率和体积容量。例如，将液滴体积从3μl缩小到10nl时，体积容量从最初的较低值增加到约570nAhμl⁻¹，这一数值在全水凝胶锂离子电池中是前所未有的，且此时LiDB的单元长度约为600μm，体积相比之前的工作缩小了99.7%。

通过串联多个LiDB单元，还能提高输出电压，如串联六个单元时，开路电压可达约3.3V，可成功为发光二极管和液晶显示定时器等电子设备供电。

四、LiDB在组织刺激中的应用

（一）驱动合成组织中带电分子迁移

实验设计原理：为了实现对合成细胞间通讯的电驱动，研究人员设计了一种特殊的实验装置。通过连接一对电子-离子转换液滴，将LiDB的电子电流转换为离子通量，从而在连接的液滴中产生电泳现象，驱动带电分子迁移。

实验结果展示：以阳离子吡罗宁Y和阴离子MANT-dATP作为荧光标记物进行实验。在没有DIB的水凝胶液滴和通过α-溶血素（αHL）连接的含DIB的水合成细胞中进行测试，结果表明，在LiDB供电10分钟后，阳离子吡罗宁Y向阳极移动，阴离子MANT-dATP向阴极移动。

在含DIB的水合成细胞中，带电分子能够通过嵌入DIB中的αHL孔成功进入目标细胞。通过计算目标液滴与非目标液滴的荧光比值来量化信号传输，发现水合成细胞相比水凝胶细胞具有更高的荧光比值，这可能是由于DIB抑制了自发分子扩散，减少了非目标细胞中的分子积累。

（二）小鼠心脏的体外除颤与起搏

除颤实验过程与结果：LiDB在与Langendorff灌注的小鼠心脏直接接触时，能够产生直流放电，实现除颤功能，恢复心脏的正常窦性节律。实验中，将LiDB轻轻放置在心脏表面，其水凝胶会直接粘附在心外膜上。

在乌本苷溶液诱导小鼠心脏出现室性心动过速和心室颤动时，LiDB的附着和分离可作为除颤过程的开始和结束，在5秒内即可将心律失常转换为正常心律，且去除LiDB后心脏能在5秒内恢复窦性心律，心脏功能无恶化。

同时，研究人员通过将一对电极附着在心脏心外膜上施加15-45μA直流电进行对比实验，验证了LiDB刺激相当于约30μA直流电刺激。

生物相容性验证：通过将LiDB与小鼠成纤维细胞、人真皮成纤维细胞或人诱导多能干细胞（iPS）衍生的心肌细胞共培养48小时，进行活/死染色，以及在共培养7天后进行细胞活力、细胞毒性和凋亡测定，结果表明LiDB具有良好的生物相容性。

心脏pacing实验：结合LiDB刺激与光遗传光pacing，可产生规则的心律，消除异位心跳，从而准确显示LiDB刺激引发的心跳变化。

此外，通过LiDB供电的起搏器电路进行有线接触，可实现更复杂的心脏活动控制，如区域特异性心脏pacing。

五、磁控LiDB的特性与应用

（一）磁控移动原理与实现

通过在中央隔膜液滴中加入磁性镍（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形成，对电池输出影响也不显著。在磁场作用下，LiDB可在油中或从油相转移到水相中移动，例如在迷宫实验中，LiDB可在磁场引导下从一对充电电极移动到一对目标电极释放能量。经过十次循环后，LiDB仍能保持77%以上的输出容量。

（二）跨相能量传递与生物降解

在水相中的应用方面，研究人员将LiDB从油相引导至含目标电极的水相（1MLiCl溶液，防止Li泄漏），发现LiDB在水相中的输出电压低于水的电解电压（约1.23V），因此能够正常工作，但容量会降低至油相中的67%，这可能是由于水凝胶随时间膨胀导致表面积与体积比下降。在水相中，LiDB的丝可被蛋白酶K酶解，最终仅留下少量残留物质。

六、研究总结与展望

（一）研究成果总结

本研究成功开发出一种微型软锂离子电池LiDB，它通过纳米级水凝胶液滴自组装而成，具备按需激活、高能量密度、良好的生物相容性和可降解性等优点，在合成组织和心脏组织刺激方面展现出卓越的性能，如驱动带电分子迁移、实现心脏除颤和pacing等，且磁控功能使其有望应用于更多场景。

（二）研究局限性与展望

尽管取得了显著成果，但研究仍存在一些局限性。例如，水的电化学稳定窗口限制了水凝胶基电池的输出电压，使其低于固态电池；在液滴沉积过程中，为防止喷嘴堵塞，Li颗粒的质量负载需限制在20%w/v以下，从而降低了电池的最大容量。未来研究可通过改进液滴组装方法（如声学打印、微流控沉积等）、使用更小的Li颗粒或处理喷嘴来解决这些问题，进一步提升LiDB的性能。此外，本设计策略有望应用于其他水凝胶和掺杂剂构建更多类型的微型能量装置，在微机器人、合成组织、生物-非生物界面和植入式医疗设备等领域具有广阔的应用前景。

七、一起来做做题吧

1、LiDB 单个单元中，阴极液滴包含的物质是（ ）

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. 丝绸蛋白（Silk fibroin）

2、在驱动带电分子迁移实验中，以下关于转换液滴的说法正确的是（ ）

A. 转换液滴由丝绸蛋白和脂质组成

B. 转换液滴的作用是将离子电流转换为电子通量

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

D. 转换液滴只连接在 LiDB 的阴极

3、LiDB 对小鼠心脏进行除颤时，以下说法错误的是（ ）

A. LiDB 通过产生强电场恢复心脏的窦性节律

B. 除颤过程中，LiDB 的附着和分离对心脏电生理活动影响最大

C. 乌本苷溶液可诱导小鼠心脏产生室性心动过速和心室颤动，用于测试 LiDB 的除颤功能

D. LiDB 除颤后，心脏功能会有轻微恶化，但能在短时间内恢复

4、关于磁控 LiDB，以下正确的是（ ）

A. 磁性镍（Ni）颗粒加入使 LiDB 输出电压显著提高

B. LiDB 从油相转移到水相后，由于水的导电性更好，其输出容量显著增加

C. LiDB 在水相中的输出电压低于水的电解电压，所以能正常工作

D. 磁场只能控制 LiDB 在油相中的移动，无法使其从油相进入水相

5、以下哪项不是当前研究中 LiDB 存在的局限性（ ）

A. 水的电化学稳定窗口限制了输出电压

B. Li 颗粒质量负载有限影响电池容量

C. 无法实现可触发激活功能

D. 液滴组装方法有待改进以提升性能

参考文献：

Zhang Y., et al. A microscale soft lithium-ion battery for tissue stimulation. Nat Chem Eng (2024).