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導讀

電鰻是一種可以放電的生物，主要分布于南美洲的亞馬遜河和圭亞那河地區。成年電鰻輸出的電壓可達300-800 V，產生足以將人擊昏的電流，是放電能力最強的淡水魚類，被稱為 “水中高壓線”。

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成果簡介

本文作者受電鰻發電啟發，通過沉積脂質支持的納升水凝膠液滴網絡來開發一種小型化軟電源，該水凝膠液滴使用內部離子梯度來產生能量。與最初受鰻魚啟發的設計相比，該方法可以將動力單元的體積縮小10倍以上，并且可以存儲能量超過24小時，實現按需運行，功率密度提高680倍，約為1300 W m?3。相關工作以“A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity”為題發表在Nature上。

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關鍵創新

1、本文受電鰻發電啟發，開發了一種微型“液滴水凝膠電池”，通過水凝膠液滴之間的離子梯度來產生能量，功率密度達到約1300 W m?3。

2、該液滴裝置可以作為生物相容性和生物離子電流源來調節三維神經微組織和離體小鼠腦切片中的神經元網絡活動。最終，該軟微型離子電子設備可能會集成到生物體中。

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核心內容解讀

圖1液滴電源的結構和輸出性能。a–c、通過沉積水凝膠液滴形成的動力裝置的制造工藝；d、液滴動力單元形成過程的明場圖像；e、輸出開路電壓(VOC)；f，在形成連續水凝膠網絡之前，歸一化VOC和單個功率單元的平均液滴直徑隨在油中不同儲存時間長度的變化。@The Authors

電鰻的發電能力依賴于成千上萬的電細胞串聯堆疊，其中陽離子Na+和K+可以在濃度梯度的驅動下，單向通過細胞膜上的離子選擇蛋白通道。研究者通過將5個納米水凝膠(瓊脂糖)液滴按順序組合，模擬了鰻魚電器官的總體布局和機制。在單個單元中，液滴的順序是：高鹽(例如CaCl2、KCl或NaCl)、陽離子選擇性、低鹽選擇性、陰離子選擇性和另一個高鹽液滴。用電子顯微注射器將它們沉積在含脂油中。液滴最初被單層脂質包圍，這些單層脂質在相互接觸后幾秒鐘內形成液滴界面雙層(DIBs)，從而形成穩定的無支撐結構。為了激活電源，將組裝好的液滴移動到無脂油中以去除脂質并拆卸DIBs。然后將液滴在4℃下凝膠化，形成連續的水凝膠結構。這使得離子可以穿過導電水凝膠，從兩端的高鹽液滴移動到中間的低鹽液滴。通過將末端液滴連接到電極，離子梯度釋放的能量轉化為電能，使水凝膠結構能夠充當外部組件的電源。在研究中，激活的液滴電源產生持續超過30分鐘的電流。由50納升液滴組成的單元的最大輸出功率約為65nW。這些設備在存放36小時后產生了相似的電流量。

圖2液滴體積對液滴電源電學特性的影響。a、初始(t = 0) VOC和ISC值。低于100 nl的液滴體積是根據顯微鏡測量的直徑計算的；b、計算不同液滴體積的單個功率單元的功率密度和總釋放電荷。動力源的體積和長度是單個液滴體積和直徑的五倍；c、歸一化VOC、ISC和串聯和/或并聯形成液滴網絡的功率單元的總釋放電荷。@The Authors

使用脂質支持的水凝膠液滴構建軟電源的優點之一是易于小型化。將液滴體積從1000nl減少99.8%至1.84nl，導致輸出電壓（36%，從136 mV減少至87 mV）和電流（70%，從2.7μA減少至0.83μA）。盡管小型化電源的總釋放電荷較低，但作者可以串聯和并聯組合多個電源單元以增加輸出電壓和電流。VOC隨著串聯單元數量的增加而增加，ISC和總釋放電荷隨著并聯單元數量的增加而增加。

圖3模板輔助液滴網絡制造和輸出。a-b、大型圖案化電源網絡的準備；c，具有多個液滴六邊形的模具的明場圖像。每個液滴的體積約為4 nl。比例尺，600 μm；d，放大單個六邊形層。比例尺，200 μm；e，堆疊7個和28個功率單元。標尺，600 μm；f，經過四步順序沉積到螺旋模具中，液滴自組裝成一系列動力單元；g-h，連接二十個動力單元(g；標尺，1.2 mm)以產生足以點亮紅色發光二極管(h)的輸出電壓。@ The Authors

為了擴大小液滴的組裝規模以適應更大規模的應用，作者采用了模板方法，將多個液滴沉積到三維打印的樹脂模具中，以生產預先設計圖案的動力單元。作者在螺旋模具中串聯組裝了20個五液滴單元。螺旋電源可以點亮發光二極管。

圖4離子液滴裝置誘導的神經元調節。a、用于通過從液滴設備產生離子電流來調節神經元活動的觸發策略；b，由細胞內Fluo-4熒光反映的離子電流調節的神經元活動；c、輸出液滴裝置穿過低鹽液滴；d，不同時間點的幀，顯示包埋在液滴中的神經元；f、不同培養期后和小鼠離體腦切片中神經元網絡的熒光中心在90秒內的相對位移。@ The Authors

隨后，作者演示了如何將活細胞附著在該裝置的一端，以便它們的活動可以直接受到離子電流的調節。研究小組將該裝置附著在含有人類神經祖細胞的液滴上，這些液滴已被熒光染料染色以表明其活性。當電源打開時，延時記錄顯示神經元中由局部離子電流誘導的細胞間鈣信號波。

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成果啟示

通過利用離子梯度，本文開發了一種液滴水凝膠電池，可實現約1300 W m?3的功率密度。未來的研究應側重于在生理條件下利用該電池裝置并提高整體能量容量，從而可用于為下一代生物混合界面、植入物、合成組織和微型機器人提供動力。液滴裝置也為調節各種小型細胞結構(如腦類器官和組裝體)的活性鋪平了另一條道路。