[发明专利]一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法

说明书

一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法，先分离带电鱼类带电器官，提取发电细胞，形成发电细胞悬浮液或发电细胞与水凝胶的混合溶液；配置用于微纳纤维制造的生物材料与导电材料的混合溶液，制备均匀的生物导电材料复合溶液；采用静电纺丝或微纳3D打印技术将生物导电材料复合溶液制造成具有微纳纤维结构的支架，将发电细胞悬浮液或发电细胞与水凝胶的混合溶液种植或打印在具有微纳纤维结构的支架上，获得微纳结构与发电细胞的复合结构体，在体外培养，使细胞按照纤维的方向定向生长与增殖，实现细胞串联；最后进行卷裹或叠加，获得三维的活性生物电池结构，本发明具有清洁、高效、适应性强等优势。

技术领域

本发明涉及生物制造与新能源技术领域，具体涉及一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法。

背景技术

随着社会的发展，人类对能源的需求逐年增加。目前，能源构成的主体仍是石油、煤炭等传统能源。这种不可再生能源不仅数量有限，而且会带来较严重的环境污染问题。因此，寻找一种清洁高效的可持续能源，逐步降低并摆脱对石油、煤炭资源的依赖，是亟需解决的社会问题。自然界内存在的电鳗、电鳐等带电鱼类可产生数百伏的高压用于捕食及防卫。在其肌肉组织内，分布着数以百万计的发电细胞，每个细胞可以产生几十毫伏的电压。细胞之间的独特极性使其互相串联，实现高压电能的输出。虽然已有研究利用带电鱼类的器官实现体外电能输出，并驱动简单的电器元件，但是尚未有基于生物生长原理的活性电池的研究报道。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明目的是提供一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法，构建的生物电池具有可再生、易于体内植入、清洁无污染、水下环境适应性强等优势，可广泛用于生物芯片、水环境电子器件、柔性机器人等领域的能量驱动。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法，包括以下步骤：

1)选取带电鱼类，分离带电器官，提取器官内部的发电细胞，形成发电细胞悬浮液或发电细胞与水凝胶的混合溶液，发电细胞浓度为1×10⁵至1×10⁷个/ml，作为发电细胞打印/挤出成型的材料；

2)配置用于微纳纤维制造的生物材料与导电材料的混合溶液，首先配置质量分数为1％至15％的生物材料溶液，然后加入导电材料使导电材料的浓度为10mg/ml至100mg/ml，通过溶解或超声分散形成均匀的生物导电材料复合溶液，用于导电纳米纤维的打印；

3)采用静电纺丝或微纳3D打印技术将生物导电材料复合溶液制造成具有微纳纤维结构的支架，用于发电细胞的生长攀附和定向，经过消毒处理后，将制备的发电细胞悬浮液或发电细胞与水凝胶的混合溶液种植或打印在具有微纳纤维结构的支架上，获得微纳结构与发电细胞的复合结构体；

4)将微纳结构与细胞的复合结构体在体外培养，使细胞按照纤维的方向定向生长与增殖，实现细胞串联；

5)将实现细胞串联的微纳结构与细胞的复合结构体进行卷裹或叠加，获得三维的活性生物电池结构，然后放入由绝缘材料制造的动态生物反应器内部进行培养，形成稳定的电能输出。

所述的步骤1)中的带电鱼类为电鳗或电鳐。

所述的步骤1)中的水凝胶为胶原、纤维蛋白或明胶。

所述的步骤2)中的导电材料包括纳米银、导电聚合物、碳纳米管、石墨烯或它们的混合物，生物材料包括聚氧化乙烯、聚己内酯、聚乳酸、壳聚糖、丝素蛋白或它们的混合物。

所述的步骤5)中的绝缘材料为硅橡胶或有机玻璃。

所述的基于发电细胞的活性生物电池构建方法均在无菌环境下进行。