原位工程化红细胞用于可植入式生物燃料电池

【作者】 陈会锋； 马晓明； 郭玉明； 杨林；

【机构】 河南师范大学化学化工学院；

【摘要】 可植入式生物燃料电池^[1-3]在生物医学领域有着越来越广泛的应用,受到人们的重视。目前如何提高它的功率密度、寿命及稳定性成为了研究前沿。就阴极而言,目前的研究主要集中在电极的修饰、催化剂的固定、电子传输介质^[4,5]的改善等方面,这些方法面临的挑战是:如何避免催化剂失活,提高稳定性、增加材料的生物相容性和催化剂的选择性等。生物体内的红细胞（RBC）可以将氧气运输至机体的各个部位,其中的血红蛋白（Hb）还可以直接催化氧还原反应（ORR）的进行,然而,由纯红细胞组成的电极性能比较低。为了解决红细胞阴极性能较低的问题,我们以红细胞为原料,通过温和的离子分步渗透方法,原位合成了细胞内含有超小纳米羟基磷灰石（HAP）与血红蛋白结合的工程化红细胞。整个合成过程绿色,且形成的产物有很好的生物相容性。与天然的RBC比较,生成的工程化红细胞的形态、细胞膜的完整性、渗透性等均没有变化,而且通过HAP纳米颗粒对Hb的作用促进了细胞对氧气的吸附和电催化ORR性能。测试结果表明:工程化红细胞有着优异的电催化性能,其起峰电位为0.47 V （vs.RHE）,最大电流密度2.67 mA cm^-2,且稳定性良好。并且它有很好的选择性,在研究的电压范围内对阳极原料葡萄糖没有明显的催化活性,这为获得无隔膜生物燃料电池奠定了基础。对比实验及理论计算结果表明,工程化红细胞的性能主要是由于细胞内HAP中的-OH与细胞内的Hb相互作用,促进了Fe²⁺与O₂的结合,从而使其吸氧能力增加,同时使O-O的键长增加结合能减弱,有利于被还原,本研究为制备纳米工程化细胞提供了一个新的参考。目前我们的研究集中于红细胞内合成模拟催化剂,为新型生物相容性电催化剂的开发提供了一个有前景的策略。更多还原