[發明專利]一種基于發電細胞的活性生物電池構建方法

有效

• 申請號: 201710353182.4
• 申請日: 2017-05-18
• 公開（公告）號: CN107151646B
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 賀健康;李滌塵;張兵;唐昊煜
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C12N5/071
• 分類號: C12N5/071;H01M6/00;H01M10/36
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種基于發電細胞的活性生物電池構建方法，先分離帶電魚類帶電器官，提取發電細胞，形成發電細胞懸浮液或發電細胞與水凝膠的混合溶液；配置用于微納纖維制造的生物材料與導電材料的混合溶液，制備均勻的生物導電材料復合溶液；采用靜電紡絲或微納3D打印技術將生物導電材料復合溶液制造成具有微納纖維結構的支架，將發電細胞懸浮液或發電細胞與水凝膠的混合溶液種植或打印在具有微納纖維結構的支架上，獲得微納結構與發電細胞的復合結構體，在體外培養，使細胞按照纖維的方向定向生長與增殖，實現細胞串聯；最后進行卷裹或疊加，獲得三維的活性生物電池結構，本發明具有清潔、高效、適應性強等優勢。

技術領域

本發明涉及生物制造與新能源技術領域，具體涉及一種基于發電細胞的活性生物電池構建方法。

背景技術

隨著社會的發展，人類對能源的需求逐年增加。目前，能源構成的主體仍是石油、煤炭等傳統能源。這種不可再生能源不僅數量有限，而且會帶來較嚴重的環境污染問題。因此，尋找一種清潔高效的可持續能源，逐步降低并擺脫對石油、煤炭資源的依賴，是亟需解決的社會問題。自然界內存在的電鰻、電鰩等帶電魚類可產生數百伏的高壓用于捕食及防衛。在其肌肉組織內，分布著數以百萬計的發電細胞，每個細胞可以產生幾十毫伏的電壓。細胞之間的獨特極性使其互相串聯，實現高壓電能的輸出。雖然已有研究利用帶電魚類的器官實現體外電能輸出，并驅動簡單的電器元件，但是尚未有基于生物生長原理的活性電池的研究報道。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明目的是提供一種基于發電細胞的活性生物電池構建方法，構建的生物電池具有可再生、易于體內植入、清潔無污染、水下環境適應性強等優勢，可廣泛用于生物芯片、水環境電子器件、柔性機器人等領域的能量驅動。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種基于發電細胞的活性生物電池構建方法，包括以下步驟：

1)選取帶電魚類，分離帶電器官，提取器官內部的發電細胞，形成發電細胞懸浮液或發電細胞與水凝膠的混合溶液，發電細胞濃度為1×10⁵至1×10⁷個/ml，作為發電細胞打印/擠出成型的材料；

2)配置用于微納纖維制造的生物材料與導電材料的混合溶液，首先配置質量分數為1％至15％的生物材料溶液，然后加入導電材料使導電材料的濃度為10mg/ml至100mg/ml，通過溶解或超聲分散形成均勻的生物導電材料復合溶液，用于導電納米纖維的打印；

3)采用靜電紡絲或微納3D打印技術將生物導電材料復合溶液制造成具有微納纖維結構的支架，用于發電細胞的生長攀附和定向，經過消毒處理后，將制備的發電細胞懸浮液或發電細胞與水凝膠的混合溶液種植或打印在具有微納纖維結構的支架上，獲得微納結構與發電細胞的復合結構體；

4)將微納結構與細胞的復合結構體在體外培養，使細胞按照纖維的方向定向生長與增殖，實現細胞串聯；

5)將實現細胞串聯的微納結構與細胞的復合結構體進行卷裹或疊加，獲得三維的活性生物電池結構，然后放入由絕緣材料制造的動態生物反應器內部進行培養，形成穩定的電能輸出。

所述的步驟1)中的帶電魚類為電鰻或電鰩。

所述的步驟1)中的水凝膠為膠原、纖維蛋白或明膠。

所述的步驟2)中的導電材料包括納米銀、導電聚合物、碳納米管、石墨烯或它們的混合物，生物材料包括聚氧化乙烯、聚己內酯、聚乳酸、殼聚糖、絲素蛋白或它們的混合物。

所述的步驟5)中的絕緣材料為硅橡膠或有機玻璃。

所述的基于發電細胞的活性生物電池構建方法均在無菌環境下進行。