基于柔性纳米多孔金电极的酶生物燃料电池在植入式设备中的应用研究

本研究针对植入式酶生物燃料电池(EBFCs)存在的生物相容性差、功率密度低和稳定性不足等问题，开发了基于Kapton?支撑的纳米多孔金电极(NPG)的葡萄糖/O2 生物燃料电池。通过Crassicarpon hotsonii纤维二糖脱氢酶(ChCDH)和Magnaporthe oryzae胆红素氧化酶(MoBOD)的协同作用，结合两性离子聚合物(MPC)涂层技术，在PBS中实现4.4 μWcm?2 功率输出，为可植入医疗设备提供了新型能源解决方案。

　　

随着可穿戴和植入式医疗设备的快速发展，对微型可持续能源的需求日益迫切。酶生物燃料电池(Enzymatic Biofuel Cells, EBFCs)作为一种能将生物质化学能直接转化为电能的装置，因其可利用体液中天然存在的葡萄糖和氧气作为燃料而备受关注。然而，现有EBFCs面临三大挑战：电极材料生物相容性不足导致的外体反应(Foreign Body Reaction, FBR)、氧化还原酶稳定性差、以及功率输出难以满足实际应用需求。特别是当电极植入生物环境时，尿酸(UA)等干扰物会不可逆地抑制酶活性，而H₂
O₂
副产物的积累更会引发组织炎症反应。

针对这些关键问题，由Denise Demurtas领衔的国际研究团队在《Bioelectrochemistry》发表了一项突破性研究。该团队创新性地采用柔性聚酰亚胺(Kapton?)基底支撑的纳米多孔金(Nanoporous Gold, NPG)电极，构建了具有抗生物污染特性的葡萄糖/O₂
生物燃料电池。通过氧不敏感的Crassicarpon hotsonii纤维二糖脱氢酶(ChCDH)与锇(Os)聚合物介导的电子转移(Mediated Electron Transfer, MET)系统组成阳极，配合共价固定化的Magnaporthe oryzae胆红素氧化酶(MoBOD)阴极，并采用两性离子聚合物聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱-co
-甲基丙烯酸缩水甘油酯)(MPC)作为抗污染涂层，成功实现了在生理环境中的稳定能量输出。

研究团队主要运用了四项核心技术：1) 硝酸选择性去合金法制备具有15-17 nm孔径的NPG电极；2) 3-巯基丙酸(MPA)自组装单层(SAM)共价固定MoBOD实现直接电子转移(Direct Electron Transfer, DET)；3) 两性离子聚合物MPC的旋涂包覆技术；4) 人工血浆模拟环境下的电化学性能评估体系。

【Morphological analysis】部分显示，通过扫描电镜(SEM)表征确认NPG电极具有与酶分子尺寸匹配的纳米孔结构(ChCDH的FAD结构域约7.2×5.7×4.5 nm)，为酶分子提供了保护性微环境。电化学测试表明，在磷酸盐缓冲液(PBS)中，生物阳极展现出172±10 μA cm^?2
的最大电流密度(J_max
)和19±3 mM的表观米氏常数(K_Mapp
)，线性检测范围覆盖1-5 mM葡萄糖，灵敏度达9.4±0.3 μA cm^?2
mM^?1
。

【Conclusions】部分指出，当转入人工血浆测试时，虽然电极性能有所下降(功率输出从PBS的4.4 μW cm^?2
降至1.0 μW cm^?2
)，但该系统仍展现出临床应用潜力。特别值得注意的是，阴极在PBS中连续工作18小时后仍保持80%活性，而MPC涂层的引入显著缓解了UA对ChCDH的非竞争性抑制和对MoBOD活性中心Cu²⁺
的螯合作用。

这项研究的创新价值体现在三方面：首先，柔性NPG电极克服了传统刚性电极在植入应用中的机械适配问题；其次，采用氧不敏感的ChCDH避免了H₂
O₂
积累引发的酶失活和组织炎症；最后，MPC涂层的双重作用既减少生物污染又抑制干扰物影响。尽管在人工血浆中的半衰期(1小时)仍需优化，但该工作为开发新一代可植入生物能源装置提供了重要技术路线，被欧盟"地平线2020"计划(IMPLANTSENS项目)列为重点突破方向。未来通过酶工程改造和电极结构优化，有望实现更长的体内工作寿命和更高的能量转换效率。