广州日报讯（全媒体记者王纳、阮元元通讯员刁雯蕙）从1800年人类历史上首个电池“伏打电堆”问世开始，人类对电池的探索已经走过了200多年。如今，“活体电池”又成为一种新的能源供应方式。近日，深圳科学家利用3D打印活体水凝胶技术，成功研制出一种直径仅20毫米的微型便携式微生物燃料电池。
微生物燃料电池也被称为生物电池，是一种利用电活性微生物的代谢活动来发电的新型生物能源装置，这种“活体电池”具备超强的环境适应性和良好的生物相容性，在生理监测、植入式医疗设备供电、解决可持续能源供应等方面发挥了重要作用。通过微型化和便携化改造，微生物电池有望为智能手表、心脏起搏器等毫瓦级低功耗设备提供电力支持。
该项成果来自中国科学院深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）定量合成生物学全国重点实验室钟超团队联合深圳先进院集成所神经工程中心刘志远团队、深圳大学王任衡团队，目前已经在《先进材料》上发表。
开发可循环供能的生物电池
在该研究中，研究团队基于希瓦氏菌，开发了一种创新的3D打印活体水凝胶材料，这种生物材料具有独特的弹性特性，使其能够通过3D打印技术形成一维到三维的复杂结构。
受传统锂电池制造技术启发，研究团队采用阴阳极分离的优化设计：以活体水凝胶作为“阳极”，含铁氰化钾的藻酸盐水凝胶作为“阴极”，通过3D打印技术制备出高性能电极结构，最终成功构建了直径仅20毫米的微型生物电池系统。
实验结果表明，这块微型电池可稳定输出450毫伏电压，并实现长达10次完整的“自充电—放电”的供能循环。文章通讯作者钟超研究员表示：“电池供能循环结束后，细菌存活率高达97%，且连续运行100小时后仍保持90%以上的高存活率，这充分证明了其优异的生物相容性。”
进一步的性能测试表明，生物电池具有出色的循环稳定性，能量损失极低，同时完全避免了传统电池中钴、锂等稀缺金属以及有毒电解质的使用，在环保方面具有显著优势。尽管其当前能量密度和功率密度较商业锂离子电池仍有差距，但已基本满足低功耗设备的供电需求。
计划开发植入式生物电池
据介绍，这种活体电池创新性地整合了生物电刺激装置，通过刺激神经元实现了对电生理和血压的精准调节，在疾病治疗方面有较大应用潜力，也推动了便携式生物器件的发展，拓展了活体能源材料的研究前沿。
“研究需要突破‘纸面创新’，同时要找到切实可行的应用场景。”研究论文第一作者王新宇介绍，尽管生物电池的技术概念新颖，但存在功率和输出电压波动（受细菌活性影响）两大局限，使得生物电池难以胜任需要持续稳定供电的场景。
基于这些特性，团队瞄准了瞬时神经刺激这一精准医疗领域——通过集成电容器系统实现电能的精准调控，成功开发出适用于神经调控的生物电池应用方案。
据王新宇介绍，团队未来计划开发基于活体水凝胶的植入式生物电池，利用人体血糖作为持续能源，实现医疗设备的自供能运行。这项研究不仅体现了合成生物学与材料科学的交叉创新，也为发展环境友好的可持续能源技术提供了新思路，在医疗植入设备和环境监测传感器等领域展现出重要应用前景。未来，研究团队将通过优化菌种选择、改进材料配方和精细调控电池结构，提升生物电池性能，推动该技术向实际应用转化。
（文章来源：广州日报）
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