Development of long-lifetime and high power density implantable biofuel cells using immobilized enzyme nanogels

使用固定化酶纳米凝胶开发长寿命和高功率密度的植入式生物燃料电池

基本信息

批准号：
22K19910
负责人：
高井まどか
金额：
$ 4.16万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K19910/
关键词：
燃料電池酵素ナノゲル生体バイオ燃料電池生体内埋込長寿命

项目摘要

本研究では代表者が開発した酵素と電子伝達体を含有した生体適合性ハイドロゲルを用いて、生体内で高出力・長寿命を達成するバイオ燃料電池を開発することを目的とする。今までに、グルコースオキシダーゼを内包させたバイオアノードを作製し、タンパク質共存下で10日以上の安定駆動を実現した。これは生体適合性に優れたハイドロゲル内に閉じ込められた酵素の活性が維持されたこと、さらに電極へのタンパク質吸着が抑制され、グルコースの供給が十分に行われたことに起因する。しかし課題として出力が小さい。そこで本研究では、電子伝達量を向上させるために、酵素と電極と接触面積を増やす技術を開発することを目的としている。今年度は、ナノサイズのハイドロゲルを開発し、酵素を内包させて出力増大が認められるかを検討した。ナノサイズのハイドロゲルは、リビングラジカル重合法を利用し、長さの揃った短鎖長のポリマーを合成することで成功した。鎖長を変更することにより、サイズの異なるゲル粒子が作成でき、さらにこのゲルに酵素、電子メディエータのアミノフェロセンを内包させることも可能であることを確かめた。ナノゲルを用いることにより、酵素－電極間の距離が短くでき、電子移動が早く、電池出力の向上につながることが期待される。高比表面積電極の作製に関して、酵素と接する電極面積を増やすために、優れた導電性、かつナノサイズのカーボン材料であるCNTの電極への固定化方法を検討した。電解合成したナノサイズの凹凸をもつ白金黒の作製手法を完成させた。また、生体内への埋め込みを想定して、γ線滅菌に対する耐性を評価した。酵素活性は1-3割程度減少したが、活性が維持されることを確認でき、生体埋め込みの実験を行う準備が整った。

这项研究旨在开发一种生物燃料细胞，该生物燃料细胞在体内实现高功率和长寿，使用代表开发的含有酶和电子转运蛋白的生物相容性水凝胶。到目前为止，已经制备了含有葡萄糖氧化酶的生物摩纳极，并且在存在蛋白质的情况下已经实现了10天以上的稳定驾驶。这是因为将被困在水凝胶内部的酶的活性（高度生物相容性）被维持，并且抑制了对电极的蛋白质吸附，从而导致足够的葡萄糖供应。但是，输出很小。因此，本研究旨在开发一种技术，以增加酶，电极和电极之间的接触面积，以改善电子传输量。今年，我们开发了纳米大小的水凝胶，并考虑了它们是否能够通过封装酶来增加产量。纳米大小的水凝胶通过合成具有均匀长度的短链长度的聚合物，使用生命的自由基聚合能够成功。已经证实，通过更改链长，可以产生不同尺寸的凝胶颗粒，并且凝胶还可以含有酶和电子介质氨基苯二苯环。通过使用纳米凝胶，预计酶和电极之间的距离可以缩短，电子传输很快，并且电池输出将得到改善。关于制造高特异性表面积电极，我们研究了一种固定CNT的方法，CNT是一种出色的导电和纳米大小的碳材料，以增加与酶接触的电极区域。我们已经完成了一种在电解合成后用纳米尺寸不规则性制造白金黑的方法。此外，假设将其嵌入体内，则评估了对伽马灭菌的耐药性。将酶活性降低了约10％至30％，但已确认维持活性，并准备好进行植入生物体的实验的准备工作。