柔性生物電池介紹

2021-02-15 柔性電子世界

皮膚電貼片的最新進展為無處不在的醫療保健和個性化醫學提供了新的可能性。用於測試來自汗和間質液的重要信息的皮膚貼片已經被廣泛地開發出來。除了這些診斷目的之外，皮膚貼片對於電刺激治療也很有價值。例如，已知在皮膚傷口處產生離子電流會激活角質形成細胞的電遷移，從而加速傷口的癒合。另一個例子，透皮離子電滲療法有助於促進藥物的輸送和除皺。皮膚電貼片用於測試和刺激的電源通常是傳統的電池，其質量中，剛性，危險，還不易處理。最近，酶促生物電池通過生物燃料（例如糖）的酶促氧化和環境中氧氣的酶促還原來發電，可以作為一種一次性電源，而引起了人們的關注，並已被應用於皮膚貼片中，用於傷口癒合和離子電滲療法藥物給藥。最近，有報導稱與生物電池結合的有機電致變色計時器可用於醫療的延時顯示和化妝品補丁。在過去的十年中，酶電池的輸出電流已從微安大幅提高到毫安。相反，電池電壓是由陽極和陰極上的氧化還原反應的耦合熱力學確定的，通常限制在0.8 V左右，該值通常不足以驅動常規電子設備。在用於透皮離子電滲療法的應用中，需要更高電壓的生物電池以確保即使通過高電阻角質層也能獲得穩定的透皮電流。已經證明，與基於電荷泵IC的DC / DC升壓器結合使用，可以將電池電壓從0.6 V增加到2.0 V。另一個升壓方法是通過多個電池的串聯連接而無需任何額外電路部分，其保留了一次性有機生物電池的優勢而引起關注。在生物電池串聯時使用升壓的示例包括：在紙上印刷生物電池；生物電池片堆疊；生物電池縫在紡織布上。日本東北大學的研究人員開發了由酶修飾碳纖維（CF）電極組成的串聯式柔性生物電池。果糖被用作燃料是因為它的電氧化作用可以直接由果糖脫氫酶（FDH）催化，而無需任何電子介體。儘管已經報導了這種通過堆疊串聯的基於碳纖維的生物電池，但是，這種方法增加了組件的總厚度，不適用於柔性皮膚貼片。因此，研究人員研究了平面內串聯酶修飾的碳纖維電極，與堆疊式相比，這種結構也便於氧氣和燃料的供應。另一個醫療和化妝品皮膚貼片的重要設計限制應在限制的區域內。因此，研究人員將生物電池分割並串聯連接以保持其原始大小。發現當外部負載在透皮皮膚電阻（>10kΩ）範圍內時，分開的生物電池的串聯會產生較大的輸出電壓和電流，並且將能夠在有限的區域內以更高的電壓進行離子電滲療法。

圖1. （a）一種柔性的，無金屬生物電池，果糖作為陽極，氧氣作為陰極，可以產生透皮離子電流；（b）保持同樣佔有面積的串聯的生物電池用於提升電壓和電流

圖2. （a）串聯連接的四分之一生物電池的照片，該電池具有柔性的基於Ecoflex的框架和手指上的柔軟疏水引線；（b）通過串聯生物電池提升能量供電給手錶

Y. Shotaro, Mizuno, T. Kusama, S. Kusama，et al.Series-Connected Flexible Biobatteries for Higher Voltage Electrical SkinPatches. ACS Applied Electronic Materials, 2019, doi: 10.1021/acsaelm.9b00671.

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