一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法技术

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，本发明专利技术具有清洁、高效、适应性强等优势。

Method for constructing active biological battery based on power generating cell

A construction method of active biological cell generation cells based on separated charged charged fish organs, extraction power cells, mixed solution generation cell suspension or generation cells and hydrogel; configuration for the mixed solution of micro nano bio materials and conductive material fiber manufacturing, bio composite conductive material preparation of uniform solution; by electrospinning or micro nano 3D printing technology of biological composite solution made of conductive material in micro nano fiber scaffold structure with mixed solution of planting or printing will power cell suspension or power cells and in the scaffold with hydrogel micro nano structure, composite structure of micro nano structure and power generation in the cells. In vitro, the cell according to the fiber direction of cell growth and proliferation, and finally realize the series; wrap or overlay, obtain three-dimensional The invention has the advantages of cleanness, high efficiency, strong adaptability and the like.

【技术实现步骤摘要】
一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法
本专利技术涉及生物制造与新能源
，具体涉及一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术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，本专利技术采取的技术方案为：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。所述的的活性生物电池结构包括发电模块3和电池外壳4，发电模块3由发电细胞1、微纳导电纤维支架2和细胞营养液5组成，发电细胞1为生物电池产生电能的基础单元；发电细胞1之间由微纳导电纤维支架2进行串联或并联连接，发电细胞1生存在细胞营养液5内，发电细胞1生存所需营养物质由细胞营养液5提供；电池外壳4作用是对发电模块3进行封装及保护，根据不同使用场合选用不同的绝缘材料及形状。本专利技术与现有技术对比的有益效果是：1)借鉴带电鱼类发电细胞产生电能的机理，利用发电细胞的发电特性将生物能转换为电能，无污染排放，是一种清洁的电能生产方式。2)导电纤维的微观尺度与宏观形貌均可以定制，细胞可按照预定轨迹在导电纤维上生长，电池形貌不受布置空间的限制，可以制造出任意形状的生物电池。3)所制备的生物电池模仿自发电鱼类，对水下环境适应能力强。可用于新一代水下机械或电子元件的能源供给。4)所制备的活性生物电池为使用柔性材料制造而成的柔性结构，结合生物材料的可降解性，可开发出便于体内植入的生物电池，用于生物芯片等体内植入物的能源供给。附图说明图1为本专利技术的生物电池构建方法示意图。图2为本专利技术方法制备的生物电池结构示意图。图3为本专利技术方法制备的有序纳米纤维。图4为本专利技术方法打印的活性细胞荧光图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。参照图1，一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，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。如图2所示，所述的的活性生物电池结构包括发电模块3和电池外壳4，发电模块3由发电细胞1、微纳导电纤维支架2和细胞营养液5组成，发电细胞1为生物电池产生电能的基础单元；发电细胞1之间由微纳导电纤维支架2进行串联或并联连接，实现电能的稳定输出；发电细胞1生存在细胞营养液5内，发电细胞1生存所需营养物质由细胞营养液5提供；电池外壳4作用是对发电模块3进行封装及保护，根据不同使用场合选用不同的绝缘材料及形状。实施例1：一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)选取电鳗、电鳐等带电鱼类，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，作为发电细胞打印成型的材料；2)配置用于用于微纳纤维制造的生物材料与导电材料的混合溶液，先配置质量分数为2％的聚氧化乙烯醋酸溶液，加入聚己内酯粉末使聚己内酯的质量分数为5％，形成生物材料溶液；然后加入纳米银线溶液使纳米银线的浓度为10mg/mL，使用磁力搅拌棒搅拌12小时后，超声震荡20分钟，形成均匀的生物导电材料复合溶液；3)采用近场静电纺丝技术将生物导电材料复合溶液制造成具有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，将制备的发电细胞与水凝胶的混合溶液通过静电打印工艺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，使细胞按照本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法，其特征在于，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1×10

【技术特征摘要】
1.一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法，其特征在于：所述的步骤1)中的带电鱼类为电鳗或电鳐。3.根据权利要求1所述的一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法，其特征在于：所述的步骤1)中的水凝胶为胶原、纤维蛋白或明胶。4.根据权利要求1所述的一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法，其特征在于：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。5.根据权利要求1所述的一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法，其特征在于：所述的步骤5)中的绝缘材料为硅橡胶或有机玻璃。6.根据权利要求1所述的一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法，其特征在于：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。7.根据权利要求1所述的一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法，其特征在于：所述的活性生物电池结构包括发电模块(3)和电池外壳(4)，发电模块(3)由发电细胞(1)、微纳导电纤维(2)和细胞营养液(5)组成，发电细胞(1)为生物电池产生电能的基础单元；发电细胞(1)之间由微纳导电纤维(2)进行串联或并联连接；发电细胞(1)生存在细胞营养液(5)内，电池外壳(4)作用是对发电模块(3)进行封装及保护，根据不同使用场合选用不同的绝缘材料及形状。8.根据权利要求1所述的一种基于发电细胞的活性生物电池构建方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选取电鳗、电鳐等带电鱼类，分离带电器官，提取器官内部的发电细胞，形成发电细胞与水凝胶的混合溶液，发电细胞浓度为1×105至1×107个/ml，用于发电细胞在微纳导电纤维支架上的打印；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，先配置质量分数为2％的聚氧化乙烯醋酸溶液，加入聚己内酯粉末使聚己内酯的质量分数为5％，形成生物材料溶液；然后加入纳米银线溶液使纳米银线的浓度为10mg/mL，使用...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺健康，李涤尘，张兵，唐昊煜，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61