近日，河南師范大學(xué)楊林教授團隊在可植入式生物燃料電池新型正極催化劑研究方面取得重要進展，研究成果以“InSituEngineeringofIntracellularHemoglobinforImplantableHighPerformanceBiofuelCells”為題，在線發(fā)表于AngewandteChemieInternationalEdition雜志，并被NatureReviewMaterials以“BIOFUELCELLS:Poweredbyblood”為標(biāo)題將這一成果作為研究亮點進行了專題報道。

隨著高科技的發(fā)展，可植入人體的心臟起搏器等生物醫(yī)用裝置需要合適的微型電源驅(qū)動，因此可植入的生物燃料電池受到廣泛的關(guān)注。然而目前該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)是如何提高電池的功率密度、壽命及穩(wěn)定性，這與催化劑的性能密切相關(guān)。就陰極而言，目前使用的催化劑主要是生物酶，但其催化性能遠不能滿足實際需要。為了提高其性能當(dāng)前研究主要集中在電極的修飾、酶催化劑的固定、電子傳輸介質(zhì)的改善等方面，這些方法面臨的問題是：如何避免催化劑失活、提高穩(wěn)定性、增加材料的生物相容性和催化劑的選擇性等。楊林教授團隊另辟蹊徑，基于人體血紅細胞(RBC)研究出了高性能的細胞電催化劑，可直接用于電催化氧還原反應(yīng)(ORR)。

楊林教授團隊以RBC為原料，通過溫和的離子分步滲透方法，原位合成了細胞內(nèi)含有超小納米羥基磷灰石（HAP）與血紅蛋白結(jié)合的工程化紅細胞(NERBC)。與天然的RBC比較，生成的NERBC的生物學(xué)性質(zhì)沒有變化，然而通過納米材料對蛋白的作用促進了細胞對氧氣的吸附和電催化ORR的性能。測試結(jié)果表明，NERBC有著優(yōu)異的電催化性能，其起峰電位為0.47V（vs.RHE），最大電流密度是2.67mAcm-2，且穩(wěn)定性良好。并且它有很好的選擇性，在研究的電壓范圍內(nèi)對負極燃料葡萄糖沒有明顯的催化活性，這為獲得無隔膜生物燃料電池奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)模擬血液成分，分別以葡萄糖和氧氣為電極反應(yīng)原料、以NERBC為正極催化劑組裝成無隔膜生物燃料電池后，表現(xiàn)出優(yōu)秀的電池性能。機理研究表明，NERBC的優(yōu)秀性能主要是由于胞內(nèi)HAP中的-OH與Hb相互作用，促進了Fe2+與O2的結(jié)合，從而使其吸氧能力增加，同時使O-O的鍵長增加結(jié)合能減弱，有利于被還原。此研究結(jié)果為納米材料調(diào)控細胞的性能，以便用于生物醫(yī)用器件開辟了新的道路，也可為其它領(lǐng)域提供借鑒。NERBC優(yōu)異的生物相容性以及對ORR的直接催化能力，使得其成為可植入式生物燃料電池良好的備選材料。

河南師范大學(xué)楊林教授團隊長期從事仿生納米結(jié)構(gòu)電催化劑及納米結(jié)構(gòu)調(diào)控細胞性能方面的研究工作，取得了系列研究成果，在國際著名期刊，如AngewandteChemieInternationalEdition、AdvancedMaterials、AdvancedFunctionalMaterials及AdvancedEnergyMaterials上發(fā)表了一系列論文。

博士研究生陳會鋒及青年教師白正宇博士為該文章共同第一作者。該研究獲得國家自然科學(xué)基金(GrantNo.21571053and51872075)等項目的資助。