生物燃料电池可以将葡萄糖等生物质的化学能转化为电能不断从生物体中获取能量，解决植入电子设备的能源供应瓶颈。然而，生物燃料电池的使用主要受到生物污染和电极表面失活引起的生物体植入后性能急剧下降的挑战。
复旦大学彭慧胜教授和南京大学张晔副教授合作展示了一种多孔防污界面(PAI)修饰生物燃料电池(BFC)来克服这些问题的简单有效的策略。它在维持反应物渗透的同时抵抗生物污染，并增强酶的固定。相关工作以“Designing Porous Antifouling Interfaces for High-Power Implantable Biofuel Cell”为题发表在Advanced Functional Materials上。
图1. 生物燃料电池(BFC)在组织中运行的示意图。(a)由于生物污垢的形成和酶的脱落，在活生物体中运行的裸BFC显示性能急剧下降。(b)通过在BFC上设计具有多孔结构、高酶固定能力和良好防污性能的PAI的策略显着提高了整体生物电催化性能。
生物燃料电极的阳极和阴极是分别通过在碳纳米管(CNT)纤维上电化学沉积一层2-氨基蒽和聚乙烯蓝的功能材料来制造的。然后将一层PAI前体涂覆在CNT纤维上，然后暴露于紫外线照射（λ=365 nm）约10分钟以形成固化的酶/聚合物复合基质。前体与酶、富含羟基的聚合物聚乙烯醇(PVA)和阳离子聚合物聚(乙烯醇)-N-甲基-4（4'-甲酰基苯乙烯基）吡啶鎓甲硫酸乙缩醛(PVA-SbQ)混合。
生物燃料电池在植入生物体后几乎可以保持100%的性能，并在体内实现了76.6 mW cm-3的最大输出功率，是迄今为止报道的最高性能的96倍。这种策略是通用的，可以扩展到其他电子设备，如电化学传感器，这为开发高性能植入电子设备提供了一条新途径。
图2. 多孔结构和酶固定化能力。(a，b)在生物阳极和生物阴极上的PAI SEM图像。比例尺，10 µm。（c，d)在生物阳极和生物阴极上的PAI的AFM图像。比例尺，5 µm。（e，f)在用PBS溶液冲洗前后，在有或没有PAI的情况下，酶固定在电极上的荧光图像和相应的荧光强度。比例尺，50 µm。(g)在PBS溶液中生物电极的示意图。(h)通过裸BFC和BFC-PAI的生物阴极生物电催化还原O2。(i)通过裸BFC和BFC-PAI的生物阳极对葡萄糖进行生物电催化氧化。电化学测试在0.1 MPBS 溶液(pH7.4)和5 mM葡萄糖中进行，温度为25°C。
图3. 防污性能。(a-c)比较裸BFC、BFC-PAI和商用Ni-Ti合金防污材料对BSA、FBG和薄片的粘附。BSA(66.4 kDa, pI4.7)是牛血浆中含量最高的蛋白质(≈65%)；FBG(340kDa, pI5.5)是一种大的血浆蛋白，通常用作粘性血清蛋白的模型；血小板是哺乳动物血液的形成部分，可以粘附在血液中的异物表面。(d，e)在裸BFC和BFC-PAI电极表面形成的FBG蛋白生物污垢层的荧光图像和相应的荧光强度。(f)血液中生物电极设置的示意图。(g)通过裸BFC和BFC-PAI的生物阴极生物电催化还原O2。(h)通过裸BFC和BFC-PAI的生物阳极对葡萄糖进行生物电催化氧化。电化学测试在25°C的血液中进行。
图4.电化学性能。(a)在体外血液中操作的裸BFC和BFC-PAI的极化曲线和功率密度曲线。(b)通过每60秒以40 mA cm-3的脉冲放电电流密度记录输出电压，裸BFC和BFC-PAI在体外血液中的稳定性。(c)植入兔子耳静脉的BFC-PAI的示意图(左上)和整体(右上)和放大(下)光学图像。(d)在体内血液中操作的BFC-PAI的极化曲线和功率密度曲线。€从PBS溶液到血液操作的裸BFC和BFC-PAI的功率密度和开路电压(标记为OCV)变化的比较。(f)BFC-PAI在体内运行的功率密度与之前具有传统固定材料涂层的植入式BFC相比，例如缩水甘油(GL)、BSA、壳聚糖(CS)、聚(乙二醇)二缩水甘油醚(PD)和戊二醛(GA)或无涂层(标记为无)。Lie Wang, Er He, Rui Gao, Xiaotong Wu, Anwei Zhou, Jiang Lu, Tiancheng Zhao, Jiaxin Li, Yanjing Yun, Luhe Li, Tingting Ye, Yiding Jiao, Jiacheng Wang, Hao Chen, Dan Li, Xinghai Ning, Di Wu, Huisheng Peng, Ye Zhang, Designing Porous Antifouling Interfaces for High-Power Implantable Biofuel Cell, Adv. Funct. Mater. 2021, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107160.
