Cell子刊：浙江大学贺永/吴梦婕/尹俊团队开发生物水凝胶电池，用于组织再生及心脏起搏

来源：生物世界 2025-09-03 09:43

为解决传统电池存在的生物相容性差和不可生物降解的问题，研究团队开发了一种可降解的柔性电源——光聚合 3D 打印生物水凝胶电池。

下一代生物电子设备所追求的高性能电池，关键在于能量以及与生物系统的深度协作。尽管传统电池在工程领域已达到极限，但其刚性、毒性以及不可降解等特点，难以适应人体灵活多变的环境，严重限制了其在生物医学电子植入物中的进一步应用。

2025 年 9 月 1 日，浙江大学贺永教授、吴梦婕教授、尹俊研究员等在 Cell 子刊Cell Biomaterials上发表了题为：A biohydrogel battery的研究论文。

该研究首次通过光聚合-3D 打印方法设计并探索了一种可降解生物水凝胶电池（biohydrogel battery，BHB），采用导电离子甲基丙烯酰化硫酸软骨素（ChsMA）-甲基丙烯酰化明胶（GelMA）水凝胶和 InGa3-Cu 纳米颗粒作为电源，其展现出卓越的机械性能和生物相容性。这一生物水凝胶电池能够在 1.5 V 电压下可靠地输出 0.001-6 毫安的电流，以支持微电流驱动的组织再生和高电流驱动的心脏起搏，为组织刺激和生物医学应用提供了新的途径。

水凝胶作为三维交联聚合物网络，其结构和功能与生物组织具有相似性，在生物工程领域具有巨大潜力。水凝胶具有出色的生物相容性、柔软性、可调的机械性能以及高度的水合度，与生物体内的组织高度匹配，因此在生物传感器、药物输送、组织工程和电子皮肤等生物应用中得到了广泛应用。尽管水凝胶在生物电子学领域具有诸多显著优势，但其实际应用仍受到诸多挑战的阻碍，尤其是在需要整合多种材料和功能方面。

镓（Ga）基液态金属（LM）在室温（RT）下呈无定形结构且处于液态，其模量低且表面润湿性良好，能与水凝胶有效结合。这种结构提高了水凝胶的电导率和机械性能，促进了其在柔性生物电子设备中的应用。然而，液态金属与水凝胶的结合主要局限于传感器和物理化学检测领域，在能源领域的探索则相对有限。

尽管生物电子设备的供电系统至关重要，但现有电池在生物医学领域的应用仍受到显著限制。传统电池通常存在生物相容性差、不可降解、刚性强以及质量大等问题，这可能会对周围组织造成损害，并引发潜在毒性的担忧。例如，不可降解的金属基电池会在体内积聚并引发长期毒性作用。此外，当前的能量转换和存储系统难以满足灵活适应和长期性能的要求。因此，在生物工程领域开发一种具有高能量、生物相容性和体内可降解性的电池已成为关键挑战，其中水凝胶作为电解质和结构支撑来实现能量存储和转换。

为解决传统电池存在的生物相容性差和不可生物降解的问题，研究团队开发了一种可降解的柔性电源 光聚合 3D 打印生物水凝胶电池，采用导电离子水凝胶和 InGa3-Cu 纳米颗粒分别作为电解质和电极，在降解期间能产生稳定的电流。在内部离子梯度的驱动下，InGa3-Cu 纳米颗粒会自发降解释放出自由离子，从而在 1.5 V 时维持 0.001 - 6 毫安的稳定电流。

这种生物水凝胶电池具有 50 微米的高打印精度，其拉伸应变和压缩率分别达到 200% 和 95%，与生物组织的机械性能相匹配。此外，它还能以双电流模式运行，提供微电流（0.001-1 毫安）促进组织再生，以及高电流（1-6 毫安）实现有效的心脏起搏。

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