一种仿线粒体植入式镁-氧生物电池及其制备方法

1.本发明涉及体内能源器件技术领域，更具体地说，涉及一种仿线粒体植入式镁-氧生物电池及其制备方法。


背景技术：

2.在过去的十几年里，起搏器、植入式生物传感器、智能药物输送系统和人工器官等用于疾病治疗、生理监测和人体增强的植入式生物电子设备取得了快速的发展。与此同时，开发与这些设备尺寸匹配的体内能源器件是至关重要的，理想的体内能源器件应同时具备高能量密度、安全性和小尺寸的特点。植入式电子设备的主要供能器件是锂离子电池，如锂-碘电池和锂-氟化碳电池。然而，由于这些电池的能量密度低，且具有较大的尺寸，阻碍了植入式电子设备的微型化发展。同时，由于电极和电解质中含有有毒物质，电池需要进行严格的封装，进一步增加了电池的尺寸，并在植入体内时带来了安全隐患。因此，人们也开始关注其他植入式电池，如原电池、钠离子电池和超级电容器。然而，这些电池的能量密度仍然远低于实际应用的要求。
3.镁-氧生物电池是一种具有高理论能量密度的水系电池，它能利用体液中的氧气产生电能。尽管许多工作已经尝试发展镁-氧生物电池并在模拟体液环境(如磷酸盐缓冲盐水溶液)中成功实现体外放电，但在体内应用上仍具有挑战。一方面，体液中含有大量细胞和蛋白质，容易在植入的生物电池表面吸附和黏附形成生物污染层，从而阻碍氧气的传输；活泼的镁负极也容易被体液中的水腐蚀，导致电池容量严重损失。这些因素会导致植入后生物电池的性能显著降低。另一方面，将镁-氧生物电池植入活体可能引发异物反应，并且在放电过程中，电池与生物体之间的物质交换也可能引起安全问题。
4.在相关技术中，如专利文献cn110099716b公开了一种包含电池单元的植入式医疗装置，所述电池单元包括：阳极；包含氟化碳颗粒的阴极；在阳极和阴极之间的间隔物；和与所述阳极、所述阴极和所述间隔物接触的电解质；其中，大于50体积％的所述氟化碳颗粒具有2微米至10微米范围内的粒度；且其中，大于50数量％的所述氟化碳颗粒具有1:1.2至1:8的纵横比。但是该方案没有对相关技术中存在的如何实现电池在体内的高能量密度和良好生物相容性的问题提供任何技术启示。
5.综上所述，如何开发具有高能量密度和良好生物相容性的植入式电池是现有技术亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.1.要解决的技术问题
7.针对现有技术中如何开发具有高能量密度和良好生物相容性的植入式电池的问题，本发明提供了一种仿线粒体植入式镁-氧生物电池及其制备方法，它不仅能有效防止镁负极的腐蚀，还能抵抗生物污染，确保氧气的持续传输，进一步提高了能量密度，同时降低了异物反应，为生物医学应用中高性能植入能源器件的开发开辟了新的方向。
8.2.技术方案
9.本发明的目的通过以下技术方案实现。
10.一种仿线粒体植入式镁-氧生物电池的制备方法，步骤包括，
11.制备内膜修饰的电池负极；
12.制备外膜修饰的电池正极；
13.制备电解质前驱体溶液；
14.制备镁-氧生物电池：将内膜修饰的电池负极浸入电解质前驱体溶液中，取出干燥，使电解质前驱体溶液在内膜修饰的电池负极上原位凝胶化；将外膜修饰的电池正极包裹在处理后的电池负极-内膜-电解质外部，得到仿线粒体植入式镁-氧生物电池。
15.更进一步的，制备内膜修饰的电池负极的具体步骤为：
16.将体积为3ml～7ml的丙酮与体积为1ml～5ml的甲醇混合，得到丙酮-甲醇溶剂；
17.将0.5g～2g聚醋酸乙烯酯、0.01g～0.05g氯化钠和0.1g～1g疏水型气相纳米二氧化硅加入丙酮-甲醇溶剂，搅拌30min～90min，得到黏性内膜前驱体溶液。
18.更进一步的，用无水乙醇清洗抛光后的镁丝，将镁丝浸入内膜前驱体溶液，使内膜前驱体溶液涂覆在电极表面，再在50℃～80℃下干燥5min～20min，去除残留溶剂并形成均匀的内膜，得到内膜修饰的电池负极。
19.更进一步的，制备外膜修饰的电池正极的具体步骤为：
20.将0.5g～1g氯化钾和30mg～60mg氯铂酸钾溶于50ml～200ml的去离子水中，得到氯化钾-氯铂酸钾沉积液；
21.将碳纳米管薄膜作为工作电极，铂电极作为对电极，银-氯化银电极作为参比电极，对工作电极施加0.5v和-0.7v的恒电位阶梯波，分别持续10s，循环50次～400次，得到负载铂的碳纳米管电池正极。
22.更进一步的，将0.05g～0.2g的tris-hcl溶解于体积为50ml～150ml的去离子水中，并使用浓盐酸调节并配置ph值为8～9的tris-hcl缓冲溶液；
23.将0.1g～0.5g的多巴胺溶解于50ml～200ml的tris-hcl缓冲溶液中，得到含多巴胺的tris-hcl缓冲溶液；
24.将负载铂的碳纳米管电池正极浸泡在含多巴胺的tris-hcl缓冲溶液中，并在室温下振荡18h～30h，得到聚多巴胺修饰的负载铂的碳纳米管电池正极。
25.更进一步的，将体积为50ml～150ml的氯仿和体积为0.5ml～2ml的乙醇混合，得到氯仿-乙醇溶剂；
26.将50mg～150mg磷脂酰乙醇胺和0.5mg～2mg氢氧化钠加入氯仿-乙醇溶剂，得到磷脂酰乙醇胺溶液；
27.将修饰了聚多巴胺的负载铂的碳纳米管电池正极在室温下浸入磷脂酰乙醇胺溶液，并振荡36h～60h，之后在室温下干燥，得到磷脂酰乙醇胺修饰的负载铂的碳纳米管电池正极。
28.更进一步的，将50mg～150mg磷脂酰胆碱溶解在50ml～150ml的氯仿中，得到磷脂酰胆碱溶液；
29.在薄膜的外表面，滴涂50μl～200μl磷脂酰胆碱溶液，外表面面积为0.25cm2，并在室温下在去离子水中浸泡36h～60h，再在室温下干燥，得到外膜修饰的负载铂的碳纳米管
电池正极。
30.更进一步的，制备电解质前驱体溶液的具体步骤为：
31.在90℃～100℃的条件下，将0.1g～1g聚乙烯醇溶解于1ml～10ml去离子水中，得到聚乙烯醇溶液；
32.将0.05g～0.2g葡萄糖酸钠溶解于0.5ml～1.5ml去离子水中，得到葡萄糖酸钠溶液；
33.在持续搅拌的条件下，将0.5ml～2ml葡萄糖酸钠溶液加入到2ml～10ml聚乙烯醇溶液中，得到电解质前驱体溶液。
34.更进一步的，制备镁-氧生物电池的具体步骤为：
35.将内膜修饰的电池负极浸入电解质前驱体溶液中，取出后在50℃～80℃下干燥20min～50min，使电解质前驱体溶液在内膜修饰的电池负极上原位凝胶化；
36.将外膜修饰的负载铂的碳纳米管电池正极包裹在经处理的电池负极-内膜-电解质外部，得到仿线粒体的高能量密度植入式镁-氧生物电池。
37.根据上述仿线粒体植入式镁-氧生物电池的制备方法制备的仿线粒体植入式镁-氧生物电池，包括内膜修饰的电池负极、电解质和外膜修饰的电池正极，所述内膜修饰的电池负极、所述电解质和所述外膜修饰的电池正极由内而外设置，所述内膜修饰的电池负极、所述电解质和所述外膜修饰的电池正极以同轴结构组成。
38.3.有益效果
39.相比于现有技术，本发明的优点在于：采用了仿线粒体的双层膜结构设计，电池负极为镁丝，电解质为聚乙烯醇-葡萄糖酸钠凝胶，电池正极为负载铂的碳纳米管薄膜；内膜由高度疏水的聚合物组成，高度疏水的聚合物显著降低了水的渗透性，有效防止了镁负极的腐蚀；外膜由磷脂层组成，带有两性离子基团的磷脂层具有良好的生物相容性和对氧气的高渗透性，能抵抗生物污染，确保氧气的持续传输。双层膜的设计进一步提高了能量密度，同时降低了异物反应，最终实现了镁-氧生物电池植入体内后能够表现出高性能和良好的生物相容性。
附图说明
40.图1为本发明一实施例中仿线粒体植入式镁-氧生物电池的结构示意图；
41.图2为本发明一实施例中仿线粒体植入式镁-氧生物电池的内膜及外膜的结构示意图；
42.图3为本发明一实施例中仿线粒体植入式镁-氧生物电池的双层膜的工作示意图；
43.图4为本发明一实施例中仿线粒体植入式镁-氧生物电池在体内放电时的能量密度统计图；
44.图5为本发明一实施例中仿线粒体植入式镁-氧生物电池与相关技术中植入式能源器件的体内性能对比图；
45.图6为本发明一实施例中仿线粒体植入式镁-氧生物电池植入体内后血清中促炎细胞因子(白细胞介素-1β和白细胞介素-6)表达水平统计图；
46.图7为本发明一实施例中仿线粒体植入式镁-氧生物电池植入体内后的血清生化指标统计图。
47.图中标号说明：100、外膜修饰的电池正极；200、电解质；300、内膜修饰的电池负极。
具体实施方式
48.下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
49.实施例1
50.如图1所示，本方案提供了一种仿线粒体植入式镁-氧生物电池，包括内膜修饰的电池负极300、电解质200和外膜修饰的电池正极100，由内而外设置内膜修饰的电池负极300、电解质200和外膜修饰的电池正极100，内膜修饰的电池负极300、电解质200和外膜修饰的电池正极100以同轴结构组成，仿线粒体的双层膜结构的镁-氧电池能够实现高能量密度和良好的生物相容性。
51.其中，电池负极为镁丝；电解质为聚乙烯醇-葡萄糖酸钠凝胶；电池正极为负载铂的碳纳米管薄膜。
52.如图2所示，内膜由聚醋酸乙烯酯、氯化钠和疏水型气相纳米二氧化硅组成；外膜由包含聚多巴胺、磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺的磷脂层组成。
53.如图3所示，由于内膜富含疏水性物质(聚醋酸乙烯酯和疏水型气相纳米二氧化硅)，从而具有高的疏水性，显著减少了水的渗透，从而有效抑制了镁负极的腐蚀；外膜是带有两性离子基团的磷脂层，可以抵抗来自体液的生物污染，对氧气具有高渗透性，确保了氧气的持续传输，同时降低了异物反应。
54.本实施例公开一种仿线粒体植入式镁-氧生物电池的制备方法，包括以下步骤：
55.制备内膜修饰的电池负极：
56.将体积为3ml的丙酮与体积为1ml的甲醇混合，得到均匀的丙酮-甲醇溶剂；
57.将0.5g聚醋酸乙烯酯、0.01g氯化钠和0.1g疏水型气相纳米二氧化硅加入丙酮-甲醇溶剂，搅拌30min，得到均匀的黏性内膜前驱体溶液；
58.将镁丝抛光，经无水乙醇清洗后浸入内膜前驱体溶液，使内膜前驱体溶液均匀地涂覆在电极表面，再在50℃下干燥5min，以去除残留溶剂并形成均匀的内膜，得到内膜修饰的电池负极。
59.制备外膜修饰的电池正极：
60.将0.5g氯化钾和30mg氯铂酸钾溶于50ml的去离子水中，得到氯化钾-氯铂酸钾沉积液；
61.将碳纳米管薄膜作为工作电极，铂电极作为对电极，银-氯化银电极作为参比电极，对工作电极施加0.5v和-0.7v的恒电位阶梯波，分别持续10s，循环50次，得到负载铂的碳纳米管电池正极；
62.将0.05gtris-hcl溶解于体积为50ml的去离子水中，并使用浓盐酸调节并配置成ph值为8的tris-hcl缓冲溶液；其中，tris-hcl为三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐；
63.将0.1g多巴胺溶解于50ml的tris-hcl缓冲溶液中，得到含多巴胺的tris-hcl缓冲溶液；
64.将负载铂的碳纳米管电池正极浸泡在含多巴胺的tris-hcl缓冲溶液中，并在室温下振荡18h，得到聚多巴胺修饰的负载铂的碳纳米管电池正极。
65.将体积为50ml的氯仿和体积为0.5ml的乙醇混合，得到氯仿-乙醇溶剂；
66.将50mg磷脂酰乙醇胺和0.5mg氢氧化钠加入氯仿-乙醇溶剂，得到磷脂酰乙醇胺溶液；
67.将修饰了聚多巴胺的负载铂的碳纳米管电池正极在室温下浸入磷脂酰乙醇胺溶液，并振荡36h，以进行磷脂酰乙醇胺的接枝，之后在室温下干燥，得到磷脂酰乙醇胺修饰的负载铂的碳纳米管电池正极；
68.将50mg磷脂酰胆碱溶解在50ml的氯仿中，得到磷脂酰胆碱溶液；
69.在磷脂酰乙醇胺修饰的负载铂的碳纳米管电池正极的外表面，滴涂50μl磷脂酰胆碱溶液，外表面面积为0.25cm2，在室温下在去离子水中浸泡36h，以进行磷脂层的自组装，之后在室温下干燥后，得到外膜修饰的负载铂的碳纳米管电池正极。
70.制备电解质前驱体溶液：
71.在90℃的条件下，将0.1g聚乙烯醇溶解于1ml去离子水中，得到聚乙烯醇溶液；
72.将0.05g葡萄糖酸钠溶解于0.5ml去离子水中，得到葡萄糖酸钠溶液；
73.在持续搅拌的条件下，将0.5ml葡萄糖酸钠溶液加入到2ml聚乙烯醇溶液中，得到电解质前驱体溶液；
74.制备镁-氧生物电池：
75.将内膜修饰的电池负极浸入电解质前驱体溶液中，取出后在50℃下干燥20min，使电解质前驱体溶液在内膜修饰的电池负极上原位凝胶化；
76.将外膜修饰的负载铂的碳纳米管电池正极包裹在经以上步骤处理的电池负极-内膜-电解质外部，得到仿线粒体的高能量密度植入式镁-氧生物电池。
77.本发明的一种仿线粒体植入式镁-氧生物电池及其制备方法，电池负极为镁丝；电解质为聚乙烯醇-葡萄糖酸钠凝胶；电池正极为碳纳米管-铂薄膜；内膜由高度疏水的聚合物组成：高度疏水的聚合物显著降低了水的渗透性，从而有效防止了镁负极的腐蚀；外膜由磷脂层组成：带有两性离子基团的磷脂层具有良好的生物相容性和对氧气的高渗透性，确保了氧气的持续传输，同时降低了异物反应。实现了镁-氧生物电池植入体内后能够表现出高性能和良好的生物相容性。
78.实施例2
79.基于实施例1的一种仿线粒体植入式镁-氧生物电池，本实施例公开一种仿线粒体的高能量密度植入式镁-氧生物电池的制备方法，包括以下步骤，
80.制备内膜修饰的电池负极：
81.将体积为5ml的丙酮与体积为2ml的甲醇混合，得到均匀的丙酮-甲醇溶剂；
82.将1g聚醋酸乙烯酯、0.02g氯化钠和0.3g疏水型气相纳米二氧化硅加入丙酮-甲醇溶剂，搅拌50min，得到均匀的黏性内膜前驱体溶液；
83.将镁丝抛光，经无水乙醇清洗后浸入内膜前驱体溶液，使内膜前驱体溶液均匀地涂覆在电极表面，再在60℃下干燥10min，以去除残留溶剂并形成均匀的内膜，得到内膜修饰的电池负极。
84.制备外膜修饰的电池正极：
85.将0.7g氯化钾和40mg氯铂酸钾溶于100ml的去离子水中，得到氯化钾-氯铂酸钾沉积液；
86.将碳纳米管薄膜作为工作电极，铂电极作为对电极，银-氯化银电极作为参比电极，对工作电极施加0.5v和-0.7v的恒电位阶梯波，分别持续10s，循环100次，得到负载铂的碳纳米管电池正极；
87.将0.1gtris-hcl溶解于体积为80ml的去离子水中，并使用浓盐酸调节并配置成ph值为8.3的tris-hcl缓冲溶液；
88.将0.2g多巴胺溶解于100ml的tris-hcl缓冲溶液中，得到含多巴胺的tris-hcl缓冲溶液；
89.将负载铂的碳纳米管电池正极浸泡在含多巴胺的tris-hcl缓冲溶液中，并在室温下振荡21h，得到聚多巴胺修饰的负载铂的碳纳米管电池正极。
90.将体积为85ml的氯仿和体积为1ml的乙醇混合，得到氯仿-乙醇溶剂；
91.将90mg磷脂酰乙醇胺和1mg氢氧化钠加入氯仿-乙醇溶剂，得到磷脂酰乙醇胺溶液；
92.将修饰了聚多巴胺的负载铂的碳纳米管电池正极在室温下浸入磷脂酰乙醇胺溶液，并振荡45h，以进行磷脂酰乙醇胺的接枝，之后在室温下干燥，得到磷脂酰乙醇胺修饰的负载铂的碳纳米管电池正极；
93.将85mg磷脂酰胆碱溶解在90ml的氯仿中，得到磷脂酰胆碱溶液；
94.在磷脂酰乙醇胺修饰的负载铂的碳纳米管电池正极的外表面，滴涂100μl磷脂酰胆碱溶液，外表面面积为0.25cm2，在室温下在去离子水中浸泡45h，以进行磷脂层的自组装，之后在室温下干燥后，得到外膜修饰的负载铂的碳纳米管电池正极。
95.制备电解质前驱体溶液：
96.在93℃的条件下，将0.4g聚乙烯醇溶解于3ml去离子水中，得到聚乙烯醇溶液；
97.将0.1g葡萄糖酸钠溶解于0.8ml去离子水中，得到葡萄糖酸钠溶液；
98.在持续搅拌的条件下，将1ml葡萄糖酸钠溶液加入到5ml聚乙烯醇溶液中，得到电解质前驱体溶液；
99.制备镁-氧生物电池：
100.将内膜修饰的电池负极浸入电解质前驱体溶液中，并在60℃下干燥30min，使电解质前驱体溶液在内膜修饰的电池负极上原位凝胶化；
101.将外膜修饰的负载铂的碳纳米管电池正极包裹在经以上步骤处理的电池负极-内膜-电解质外部，得到仿线粒体的高能量密度植入式镁-氧生物电池。
102.实施例3
103.基于实施例1的一种仿线粒体植入式镁-氧生物电池，本实施例公开一种仿线粒体的高能量密度植入式镁-氧生物电池的制备方法，包括以下步骤，
104.制备内膜修饰的电池负极：
105.将体积为6ml的丙酮与体积为4ml的甲醇混合，得到均匀的丙酮-甲醇溶剂；
106.将1.5g聚醋酸乙烯酯、0.03g氯化钠和0.7g疏水型气相纳米二氧化硅加入丙酮-甲醇溶剂，搅拌70min，得到均匀的黏性内膜前驱体溶液；
107.将镁丝抛光，经无水乙醇清洗后浸入内膜前驱体溶液，使内膜前驱体溶液均匀地涂覆在电极表面，再在70℃下干燥15min，以去除残留溶剂并形成均匀的内膜，得到内膜修饰的电池负极。
108.制备外膜修饰的电池正极：
109.将0.9g氯化钾和50mg氯铂酸钾溶于150ml的去离子水中，得到氯化钾-氯铂酸钾沉积液；
110.将碳纳米管薄膜作为工作电极，铂电极作为对电极，银-氯化银电极作为参比电极，对工作电极施加0.5v和-0.7v的恒电位阶梯波，分别持续10s，循环200次，得到负载铂的碳纳米管电池正极；
111.将0.15gtris-hcl溶解于体积为120ml的去离子水中，并使用浓盐酸调节并配置成ph值为8.7的tris-hcl缓冲溶液；
112.将0.3g多巴胺溶解于150ml的tris-hcl缓冲溶液中，得到含多巴胺的tris-hcl缓冲溶液；
113.将负载铂的碳纳米管电池正极浸泡在含多巴胺的tris-hcl缓冲溶液中，并在室温下振荡25h，得到聚多巴胺修饰的负载铂的碳纳米管电池正极。
114.将体积为125ml的氯仿和体积为1.5ml的乙醇混合，得到氯仿-乙醇溶剂；
115.将120mg磷脂酰乙醇胺和1.5mg氢氧化钠加入氯仿-乙醇溶剂，得到磷脂酰乙醇胺溶液；
116.将修饰了聚多巴胺的负载铂的碳纳米管电池正极在室温下浸入磷脂酰乙醇胺溶液，并振荡55h，以进行磷脂酰乙醇胺的接枝，之后在室温下干燥，得到磷脂酰乙醇胺修饰的负载铂的碳纳米管电池正极；
117.将125mg磷脂酰胆碱溶解在120ml的氯仿中，得到磷脂酰胆碱溶液；
118.在磷脂酰乙醇胺修饰的负载铂的碳纳米管电池正极的外表面，滴涂150μl磷脂酰胆碱溶液，外表面面积为0.25cm2，在室温下在去离子水中浸泡55h，以进行磷脂层的自组装，之后在室温下干燥后，得到外膜修饰的负载铂的碳纳米管电池正极。
119.制备电解质前驱体溶液：
120.在97℃的条件下，将0.7g聚乙烯醇溶解于8ml去离子水中，得到聚乙烯醇溶液；
121.将0.15g葡萄糖酸钠溶解于1.2ml去离子水中，得到葡萄糖酸钠溶液；
122.在持续搅拌的条件下，将1.5ml葡萄糖酸钠溶液加入到8ml聚乙烯醇溶液中，得到电解质前驱体溶液；
123.制备镁-氧生物电池：
124.将内膜修饰的电池负极浸入电解质前驱体溶液中，并在70℃下干燥40min，使电解质前驱体溶液在内膜修饰的电池负极上原位凝胶化；
125.将外膜修饰的负载铂的碳纳米管电池正极包裹在经以上步骤处理的电池负极-内膜-电解质外部，得到仿线粒体的高能量密度植入式镁-氧生物电池。
126.实施例4
127.基于实施例1的一种仿线粒体植入式镁-氧生物电池，本实施例公开一种仿线粒体的高能量密度植入式镁-氧生物电池的制备方法，包括以下步骤，
128.制备内膜修饰的电池负极：
129.将体积为7ml的丙酮与体积为5ml的甲醇混合，得到均匀的丙酮-甲醇溶剂；
130.将2g聚醋酸乙烯酯、0.05g氯化钠和1g疏水型气相纳米二氧化硅加入丙酮-甲醇溶剂，搅拌90min，得到均匀的黏性内膜前驱体溶液；
131.将镁丝抛光，经无水乙醇清洗后浸入内膜前驱体溶液，使内膜前驱体溶液均匀地涂覆在电极表面，再在80℃下干燥20min，以去除残留溶剂并形成均匀的内膜，得到内膜修饰的电池负极。
132.制备外膜修饰的电池正极：
133.将1g氯化钾和60mg氯铂酸钾溶于200ml的去离子水中，得到氯化钾-氯铂酸钾沉积液；
134.将碳纳米管薄膜作为工作电极，铂电极作为对电极，银-氯化银电极作为参比电极，对工作电极施加0.5v和-0.7v的恒电位阶梯波，分别持续10s，循环400次，得到负载铂的碳纳米管电池正极；
135.将0.2gtris-hcl溶解于体积为150ml的去离子水中，并使用浓盐酸调节并配置成ph值为9的tris-hcl缓冲溶液；
136.将0.5g多巴胺溶解于200ml的tris-hcl缓冲溶液中，得到含多巴胺的tris-hcl缓冲溶液；
137.将负载铂的碳纳米管电池正极浸泡在含多巴胺的tris-hcl缓冲溶液中，并在室温下振荡30h，得到聚多巴胺修饰的负载铂的碳纳米管电池正极。
138.将体积为150ml的氯仿和体积为2ml的乙醇混合，得到氯仿-乙醇溶剂；
139.将150mg磷脂酰乙醇胺和2mg氢氧化钠加入氯仿-乙醇溶剂，得到磷脂酰乙醇胺溶液；
140.将修饰了聚多巴胺的负载铂的碳纳米管电池正极在室温下浸入磷脂酰乙醇胺溶液，并振荡60h，以进行磷脂酰乙醇胺的接枝，之后在室温下干燥，得到磷脂酰乙醇胺修饰的负载铂的碳纳米管电池正极；
141.将150mg磷脂酰胆碱溶解在150ml的氯仿中，得到磷脂酰胆碱溶液；
142.在磷脂酰乙醇胺修饰的负载铂的碳纳米管电池正极的外表面，滴涂200μl磷脂酰胆碱溶液，外表面面积为0.25cm2，在室温下在去离子水中浸泡60h，以进行磷脂层的自组装，之后在室温下干燥后，得到外膜修饰的负载铂的碳纳米管电池正极。
143.制备电解质前驱体溶液：
144.在100℃的条件下，将1g聚乙烯醇溶解于10ml去离子水中，得到聚乙烯醇溶液；
145.将0.2g葡萄糖酸钠溶解于1.5ml去离子水中，得到葡萄糖酸钠溶液；
146.在持续搅拌的条件下，将2ml葡萄糖酸钠溶液加入到10ml聚乙烯醇溶液中，得到电解质前驱体溶液。
147.制备镁-氧生物电池：
148.将内膜修饰的电池负极浸入电解质前驱体溶液中，并在80℃下干燥50min，使电解质前驱体溶液在内膜修饰的电池负极上原位凝胶化；
149.将外膜修饰的负载铂的碳纳米管电池正极包裹在经以上步骤处理的电池负极-内膜-电解质外部，得到仿线粒体的高能量密度植入式镁-氧生物电池。
150.如图4所示，仿线粒体的高能量密度植入式镁-氧生物电池，在植入体内后显示出极高的能量密度，其最大能量密度为2517wh
·
l
–1或1491wh
·
kg
–1。
151.如图5所示，仿线粒体的高能量密度植入式镁-氧生物电池与相关技术中植入式能源器件对比，它的最大能量密度(2517wh
·
l
–1)是目前文献报道最高性能的2.5倍。
152.如图6所示，仿线粒体的高能量密度植入式镁-氧生物电池，在植入后1至7天内，具有双层膜的镁-氧电池组的炎症反应与对照组相当，表明镁-氧生物电池与组织之间具有良好的亲和性，并且植入后不会引起异常或慢性免疫反应。
153.如图7所示，在植入后2个月内，具有双层膜的镁-氧电池组的血液指标与对照组之间没有显著差异，表明电池具有良好的生物相容性，在体内应用是安全的。相比之下，没有双层膜的镁-氧电池组的一些指标显示异常。
154.本方案采用的双层膜结构，不仅能够有效保护镁负极免受腐蚀，还能抵抗体液中细胞及蛋白质的污染，增强正极在生物环境里的相容性，确保了氧气的持续传输，降低了异物反应，使得仿线粒体的植入式镁-氧生物电池，能够在体内实现高能量密度和良好生物相容性。
155.以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

技术特征：
1.一种仿线粒体植入式镁-氧生物电池的制备方法，步骤包括，制备内膜修饰的电池负极；制备外膜修饰的电池正极；制备电解质前驱体溶液；制备镁-氧生物电池：将内膜修饰的电池负极浸入电解质前驱体溶液中，取出干燥，使电解质前驱体溶液在内膜修饰的电池负极上原位凝胶化；将外膜修饰的电池正极包裹在处理后的电池负极-内膜-电解质外部，得到仿线粒体植入式镁-氧生物电池。2.根据权利要求1所述的仿线粒体植入式镁-氧生物电池的制备方法，其特征在于，制备内膜修饰的电池负极的具体步骤为：将体积为3ml～7ml的丙酮与体积为1ml～5ml的甲醇混合，得到丙酮-甲醇溶剂；将0.5g～2g聚醋酸乙烯酯、0.01g～0.05g氯化钠和0.1g～1g疏水型气相纳米二氧化硅加入丙酮-甲醇溶剂，搅拌30min～90min，得到黏性内膜前驱体溶液。3.根据权利要求2所述的仿线粒体植入式镁-氧生物电池的制备方法，其特征在于，用无水乙醇清洗抛光后的镁丝，将镁丝浸入内膜前驱体溶液，使内膜前驱体溶液涂覆在电极表面，再在50℃～80℃下干燥5min～20min，去除残留溶剂并形成均匀的内膜，得到内膜修饰的电池负极。4.根据权利要求1所述的仿线粒体植入式镁-氧生物电池的制备方法，其特征在于，制备外膜修饰的电池正极的具体步骤为：将0.5g～1g氯化钾和30mg～60mg氯铂酸钾溶于50ml～200ml的去离子水中，得到氯化钾-氯铂酸钾沉积液；将碳纳米管薄膜作为工作电极，铂电极作为对电极，银-氯化银电极作为参比电极，对工作电极施加0.5v和-0.7v的恒电位阶梯波，分别持续10s，循环50次～400次，得到负载铂的碳纳米管电池正极。5.根据权利要求4所述的仿线粒体植入式镁-氧生物电池的制备方法，其特征在于，将0.05g～0.2g的tris-hcl溶解于体积为50ml～150ml的去离子水中，并使用浓盐酸调节并配置ph值为8～9的tris-hcl缓冲溶液；将0.1g～0.5g的多巴胺溶解于50ml～200ml的tris-hcl缓冲溶液中，得到含多巴胺的tris-hcl缓冲溶液；将负载铂的碳纳米管电池正极浸泡在含多巴胺的tris-hcl缓冲溶液中，并在室温下振荡18h～30h，得到聚多巴胺修饰的负载铂的碳纳米管电池正极。6.根据权利要求5所述的仿线粒体植入式镁-氧生物电池的制备方法，其特征在于，将体积为50ml～150ml的氯仿和体积为0.5ml～2ml的乙醇混合，得到氯仿-乙醇溶剂；将50mg～150mg磷脂酰乙醇胺和0.5mg～2mg氢氧化钠加入氯仿-乙醇溶剂，得到磷脂酰乙醇胺溶液；将修饰了聚多巴胺的负载铂的碳纳米管电池正极在室温下浸入磷脂酰乙醇胺溶液，并振荡36h～60h，之后在室温下干燥，得到磷脂酰乙醇胺修饰的负载铂的碳纳米管电池正极。7.根据权利要求6所述的仿线粒体植入式镁-氧生物电池的制备方法，其特征在于，将50mg～150mg磷脂酰胆碱溶解在50ml～150ml的氯仿中，得到磷脂酰胆碱溶液；在薄膜的外表面，滴涂50μl～200μl磷脂酰胆碱溶液，外表面面积为0.25cm2，并在室温
下在去离子水中浸泡36h～60h，再在室温下干燥，得到外膜修饰的负载铂的碳纳米管电池正极。8.根据权利要求1所述的仿线粒体植入式镁-氧生物电池的制备方法，其特征在于，制备电解质前驱体溶液的具体步骤为：在90℃～100℃的条件下，将0.1g～1g聚乙烯醇溶解于1ml～10ml去离子水中，得到聚乙烯醇溶液；将0.05g～0.2g葡萄糖酸钠溶解于0.5ml～1.5ml去离子水中，得到葡萄糖酸钠溶液；在持续搅拌的条件下，将0.5ml～2ml葡萄糖酸钠溶液加入到2ml～10ml聚乙烯醇溶液中，得到电解质前驱体溶液。9.根据权利要求1所述的仿线粒体植入式镁-氧生物电池的制备方法，其特征在于，制备镁-氧生物电池的具体步骤为：将内膜修饰的电池负极浸入电解质前驱体溶液中，取出后在50℃～80℃下干燥20min～50min，使电解质前驱体溶液在内膜修饰的电池负极上原位凝胶化；将外膜修饰的负载铂的碳纳米管电池正极包裹在经处理的电池负极-内膜-电解质外部，得到仿线粒体的高能量密度植入式镁-氧生物电池。10.根据权利要求1-9任一所述的仿线粒体植入式镁-氧生物电池的制备方法制备的仿线粒体植入式镁-氧生物电池，其特征在于，包括，内膜修饰的电池负极、电解质和外膜修饰的电池正极，所述内膜修饰的电池负极、所述电解质和所述外膜修饰的电池正极由内而外设置，所述内膜修饰的电池负极、所述电解质和所述外膜修饰的电池正极以同轴结构组成。

技术总结
本发明公开了一种仿线粒体植入式镁-氧生物电池及其制备方法，属于体内能源器件技术领域。包括以下步骤：制备内膜修饰的电池负极；制备外膜修饰的电池正极；制备电解质前驱体溶液；制备镁-氧生物电池：将内膜修饰的电池负极浸入电解质前驱体溶液中，取出干燥，使电解质前驱体溶液在内膜修饰的电池负极上原位凝胶化；将外膜修饰的电池正极包裹在经以上步骤处理的电池负极-内膜-电解质外部，得到仿线粒体植入式镁-氧生物电池。本发明相比于现有技术，本发明的优点在于：本方案采用了仿线粒体的双层膜结构设计，不仅能有效防止镁负极的腐蚀，还能抵抗生物污染，确保氧气的持续传输，进一步提高了能量密度，同时降低了异物反应。同时降低了异物反应。同时降低了异物反应。


技术研发人员：张晔 王列 何儿 任俊烨
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/9/23