河南师大白正宇教授、杨林教授《ACS AMI》：用于可植入生物燃料电池的纳米活细胞催化剂的构建

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随着生物医学技术的发展，可植入生物燃料电池作为心脏起搏器等植入式医疗检测装置的电源有着极大的应用需求。葡萄糖生物燃料电池(GBFC)是可植入生物燃料电池的最佳选择，因为GBFC阴、阳两极的燃料（氧气和葡萄糖）天然存在于血液中，人体可以自提供。因此，对于阴、阳电极，选择合适的催化剂以实现电池高性能是至关重要的。葡萄糖氧化酶(GOx)是目前GBFC常用的阳极催化剂，然而存在的问题是葡萄糖氧化过程中不可避免的会产生过氧化氢(H₂O₂)，过量的H₂O₂会对生物体造成损害。所以，去除过量H₂O₂是极为重要的。现有的少量研究采用级联酶来去除H₂O₂，而酶的不稳定性和易失活性等限制了级联酶在GBFC中的应用。

近日，河南师范大学化学化工学院白正宇和杨林教授团队在ACS Applied Materials & Interfaces (IF: 8.758)上发表了题为“Construction of a Cascade Catalyst of Nanocoupled Living Red Blood Cells for Implantable Biofuel Cell”的学术论文。该论文阐述了通过将纳米聚多巴胺(NPDA)与红细胞(RBCs)耦合，构建了一种纳米修饰的活细胞催化剂RBCs@NPDA。该阴极催化剂可将阳极产生的H₂O₂作为阴极燃料，催化还原O₂-H₂O₂级联反应，其特色是不仅消除了有害的H₂O₂， 而且还可以提高电池性能、保护RBCs免受损害。该工作为提高可植入GBFC的性能提供了新思路，并提出了一种利用活体细胞和纳米材料构建催化剂的策略。

RBCs@NPDA的表征

SEM测试图可以看出RBCs@NPDA和天然RBCs的表面有着明显的不同。天然RBCs的表面是光滑的（图1d和e），而RBCs@NPDA的表面由于包覆了NPDA 纳米粒子变得比较粗糙（图1 a和b）；另通过FTIR及UV-Vis光谱测试，也表明RBCs表面成功包覆了NPDA修饰层。

图1 (a)和(b)分别是RBCs@NPDA的整体和局部放大SEM图；(d)和(e)分别是天然RBCs的整体和局部放大SEM图；(c)和(f)分别是RBCs@NPDA 和纯 RBCs的FTIR、UV-Vis光谱测试图。

RBCs@NPDA的生化特性

为了检测RBCs@NPDA细胞膜的完整性及生物相容性，对细胞的渗透脆性和其自体血液中的溶血情况进行了测试。图2a和b说明细胞表面的NPDA修饰层生物相容性好，对RBCs的渗透性几乎没有影响，RBCs@NPDA的细胞膜依然是完整的。在H₂O₂溶液中孵育一段时间后（图2c），NPDA修饰层对RBCs起到了很好的保护作用，RBCs@NPDA几乎没有发生溶血，血红蛋白的结构保持完整。而天然RBCs发生了明显的溶血，且血红蛋白被H₂O₂氧化成了高铁血红蛋白。图2d是NPDA催化H₂O₂分解的溶解氧测试图，可以看出NPDA具有催化H₂O₂分解的“类过氧化氢酶”性质。

图2 (a)和(b)分别是RBCs@NPDA和天然RBCs的渗透脆性曲线和溶血测试曲线；(c) RBCs@NPDA和天然RBCs在0.3 mM H₂O₂的PBS (1×)溶液中的UV-Vis光谱图；(d) 在有、无NPDA纳米颗粒情况下含有0.3 mM H₂O₂的PBS (1×)溶液中产氧量的测试图。

RBCs@NPDA的电化学性能

   图3是RBCs@NPDA作为阴极催化剂的系列电化学测试图，可以看出RBCs@NPDA的NPDA修饰层促进了RBCs与电极之间的电子传递，耦合了NPDA催化分解H₂O₂的能力和RBCs催化氧还原的特性，从而对 O₂-H₂O₂级联反应表现出更稳定的电催化还原性能。

图3 (a) 空气条件下，不同浓度 H₂O₂溶液中，RBCs@NPDA的 CV 曲线；(b) 0.3 mM H₂O₂溶液中， RBCs@NPDA不同扫速的CVs；(c)峰值电流与扫速的关系图；(d) RBCs@NPDA的 I-t 曲线；(e) RBCs@NPDA的EIS图；(f)以 GOx 和 RBCs@NPDA 作为阳极和阴极催化剂，组装成无膜 GBFC的电池测试图。

相关链接

https://doi.org/10.1021/acsami.1c01479

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