糖尿病
Adv. Mater.2023：自給自足的血糖代謝燃料電池
背景
目前可用的生物電子設備消耗太多的能量，無法在可充電電池上連續運行，而且通常是無線供電，伴隨著可靠性、便利性和移動性等問題。因此，一種在生理條件下工作的強大的、自給自足的、可植入的發電機的可用性將對許多應用產生革命性的影響，從驅動生物電子植入物和假體到編程細胞行為和患者的新陳代謝。在這里，利用一種新的含銅、導電性調諧的3D碳納米管復合材料，設計了一種可植入的血糖代謝燃料電池，該電池可以連續監測血糖水平，在高血糖期間將多余的葡萄糖轉化為電能，并產生足夠的能量(0.7 mW/cm-2, 0.9 V, 50 mM葡萄糖)來驅動工程細胞泡狀胰島素釋放的光和電遺傳調節。研究表明，在I型糖尿病的實驗模型中，通過結合電代謝轉化和胰島素釋放介導的細胞消耗，將血糖監測與消除過量血糖相結合，使代謝燃料電池能夠以自動、自給自足和閉環的方式恢復血糖穩態。
圖文導讀
（圖1用于閉環控制血糖穩態的非酶代謝燃料細胞示意圖）
（圖2 非酶代謝燃料電池的陽極）
（圖3 非酶代謝燃料電池的陰極）
（圖4 代謝燃料電池供電的電場刺激工程人β電細胞的囊泡胰島素釋放）
（圖5 代謝燃料細胞驅動的光遺傳刺激泡狀胰島素釋放的工程人類iβ細胞）
全文總結
可穿戴和可植入的電子設備在生理信息的現場監測和為實時醫療干預提供信息方面已經變得越來越強大。無論這種生物電子設備和植入物是使用光作為電遺傳控制的中間物，還是基于電場的直接電遺傳界面，它們都需要大量的電能來支持監測、處理和通信。因此，目前可用的生物電子植入物不能使用電池供電，但需要有線、或無線電源，來進行連續操作，這限制了自充足性、可靠性和患者的方便性。理想情況下，最好是使用內源性電源來操作生物電子植入物，以實現自給自足、連續和可靠的操作。在這里，通過集成分層裝飾的柔性三維納米結構無機氧化銅催化劑，我們制造了一個代謝燃料電池，在生理血糖濃度下產生超過330 mV的OCV。代謝向電能的有效轉化是由納米催化氧化銅介導的，它將葡萄糖轉化為葡萄糖酸鹽并生成質子，同時通過彈道傳輸將電子通過由導電填料PEDOT：PSS支撐的主干。該填充物與MWCNTs壁上的自由π電子相互作用，導致π-π結合，其中PEDOT寡核苷酸形成與PSS鏈排列的導電簇，從而形成局部導電顆粒，增加電子的彈道傳輸。由此產生的代謝燃料細胞不僅能在整個生理血糖范圍內有效地感知葡萄糖，而且還能在很長一段時間內保持其性能和穩定性。代謝燃料電池在生理條件下將多余的代謝能量轉化為電能，有望為生物電子植入物和可穿戴電子設備的應用開辟許多新的機會。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202300890
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