Исследователи создали биобатарею по принципу работы кишечника, вырабатывающую 0,75 вольта в гидрогелевой матрице

Инженеры и специалисты в области биоэлектроники из США создали гибкую биобатарею, смоделированную по образцу физиологической среды пищеварительного тракта человека и обеспечивающую электрическое напряжение 0,75 вольта. Конструкция объединяет живые бактерии внутри податливой гидрогелевой сетки, формируя автономную электрохимическую матрицу, способную генерировать полезную энергию без использования традиционных токсичных химических реагентов или жестких металлических корпусов. Разработка представляет собой шаг вперед в области биосовместимого сбора энергии и открывает путь к созданию автономных источников питания для проглатываемых диагностических систем, носимых медицинских пластырей и миниатюрных устройств экологического мониторинга.

## Key facts

- Биобатарея генерирует электрический потенциал 0,75 вольта за счет биохимической активности микроорганизмов. - Устройство смоделировано с учетом микроокружения и архитектуры кишечного тракта человека. - Активные бактериальные клетки инкапсулированы и поддерживаются внутри гибкой, удерживающей воду гидрогелевой матрицы. - Исследование провели специалисты в области биомедицинской инженерии и материаловедения из США. - Система спроектирована таким образом, чтобы обеспечить механическую гибкость и биосовместимость, отсутствующие у стандартных литий-ионных и щелочных аккумуляторов.

## What happened

Как сообщает Neetika Walter, исследовательская группа в США успешно разработала биологическую батарею, принцип работы которой заимствован у кишечника человека, для выработки электрического потенциала в 0,75 вольта. Вместо применения тяжелых металлов, легковоспламеняющихся жидких органических электролитов или жестких корпусов, характерных для обычных сухих элементов питания, ученые разработали органическую платформу, основанную на метаболизме бактерий, взвешенных в каркасе из синтетического гидрогеля.

В этой экспериментальной платформе бактерии выполняют роль биокатализаторов, запуская окислительно-восстановительные реакции посредством стандартных метаболических путей. Поглощая окружающие органические соединения или поступающее биологическое топливо, микроорганизмы в процессе дыхания выделяют электроны. Гидрогелевая структура выполняет двоякую функцию: она служит гидратированным защитным каркасом, поддерживающим жизнеспособность и механическую стабильность бактериальных колоний, а также выступает в качестве внутреннего проводящего или полупроницаемого электролитического канала, облегчающего перемещение заряженных ионов между электродами.

Полученная система достигает электрического потенциала разомкнутой цепи в 0,75 вольта. В традиционной электрохимии стандартная коммерческая щелочная батарейка формата AA или AAA выдает примерно 1,5 вольта, тогда как одноэлементные литий-ионные аккумуляторы работают при напряжении около 3,7 вольта. Получение 0,75 вольта от живой, гибкой биологической структуры выводит выходные характеристики на уровень, достаточный для прямого сопряжения со сверхнизкопотребляющими интегральными схемами, повышающими преобразователями напряжения или миниатюрными конденсаторами, применяемыми в биосенсорах.

Физическая форма устройства основана на гидрогелевых полимерах, которые способны сгибаться, сжиматься и адаптироваться к неровным поверхностям без нарушения электрической проводимости и без сдавливания встроенных микроорганизмов. Воспроизводя плотную, обеспечивающую обмен питательными веществами и гибкую архитектуру слизистой оболочки кишечника человека, команда продемонстрировала, что сообщества живых клеток могут оставаться функционально активными и непрерывно продуктивными в искусственном твердотельном биоэлектронном формате.

## Why it matters

Создание работающей биологической батареи на 0,75 вольта устраняет одно из самых сложных инженерных препятствий в медицинских технологиях: проблему безопасного питания устройств, находящихся внутри человеческого тела или в непосредственном контакте с ним. Современная проглатываемая электроника, такая как эндоскопические капсулы, перемещающиеся по пищеварительной системе для съемки слизистой оболочки, сегодня зависит от стандартных серебряно-цинковых или литиевых дисковых элементов. Несмотря на герметичность, такие металлические элементы питания несут в себе серьезные клинические риски при задержке в тканях, включая химические ожоги едкими веществами, токсичность тяжелых металлов и внутреннюю механическую перфорацию.

Микробная батарея на основе мягкой гидрогелевой матрицы представляет собой принципиально нетоксичную альтернативу. В случае повреждения или разрушения такого элемента питания в желудочно-кишечном тракте его органические компоненты и безопасные бактерии представят минимальную угрозу по сравнению с концентрированными гидроксидами щелочных металлов или солями лития. Кроме того, показатель в 0,75 вольта является значимым порогом для современной микроэлектроники. Современные логические схемы на основе комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (CMOS), разработанные для работы в подпороговом режиме, способны выполнять базовую цифровую обработку данных и периодическую радиочастотную передачу при напряжении от 0,4 до 0,8 вольта.

Помимо непосредственного применения в медицине, гибкие микробные батареи имеют важное значение для мягкой робототехники и распределенных датчиков мониторинга окружающей среды. Традиционные жесткие батареи препятствуют естественной деформации мягких захватов роботов и искусственных мышц. Источник питания, соответствующий механическому импедансу мягких биологических тканей, позволяет устройствам естественным образом изгибаться, одновременно вырабатывая энергию во влажных, анаэробных или биологически активных средах, где стандартная электроника быстро подвергается коррозии или выходит из строя.

## The background

Микробные топливные элементы (MFC) и биологические батареи изучаются в академических лабораториях на протяжении десятилетий, начиная с наблюдений начала XX века о том, что бактериальные культуры вырабатывают электрический ток при разложении органического вещества. Исторически микробные топливные элементы представляли собой преимущественно жесткие двухкамерные стеклянные лабораторные системы, разделенные протонно-обменными мембранами, такими как Nafion, и соединенные внешними электрическими цепями. Такие традиционные установки разрабатывались в основном для городских станций очистки сточных вод, где природные штаммы бактерий расщепляли осадок сточных вод, попутно генерируя небольшие объемы электроэнергии.

За последние пятнадцать лет исследователи выявили конкретные электроактивные штаммы микроорганизмов — прежде всего родов *Shewanella* и *Geobacter*, — которые обладают белками цитохромами внешней мембраны и проводящими волосовидными придатками, известными как микробные нанопровода. Эти специализированные структуры обеспечивают внеклеточный перенос электронов, позволяя клеткам сбрасывать электроны метаболизма непосредственно на твердые внешние минеральные поверхности или искусственные электроды без необходимости в синтетических химических медиаторах.

Несмотря на эти биологические открытия, внедрение микробных топливных элементов в практическую компактную электронику исторически сталкивалось с трудностями корпусирования. Для выживания бактериям необходимы жидкая вода, стабильный доступ к питательным веществам и благоприятные условия pH. При уменьшении размеров традиционных MFC высыхание, нехватка питательных веществ и утечки через мембрану нередко приводили к гибели бактериальной культуры в течение нескольких часов. Кроме того, однокамерные микромасштабные MFC часто производили ничтожно малое напряжение, колебаясь в диапазоне от 0,1 до 0,3 вольта, чего было недостаточно для преодоления рабочих порогов электронных компонентов.

Чтобы преодолеть эти препятствия, материаловеды обратились к гидрогелям — сшитым трехмерным полимерным сеткам, способным удерживать значительные объемы воды при сохранении твердой структурной целостности. Такие материалы, как полиакриламид, полиэтиленгликоль, альгинат и желатин, получили широкое распространение в тканевой инженерии и биоэлектронике, поскольку они имитируют естественный внеклеточный матрикс тканей млекопитающих и бактерий. Внедряя бактериальные клетки непосредственно в эти полимерные решетки, исследователи стремились создать автономные биоматериалы, защищающие живые клетки от механического стресса и обезвоживания, что сформировало мост между живыми микробиомами и твердотельными электронными устройствами.

## Reaction

Хотя официальных публичных заявлений от регулирующих органов или коммерческих производителей устройств после первоначальных сообщений об исследовании пока не поступало, ожидается реакция со стороны комиссий по биомедицинской инженерии и академических конференций, специализирующихся на системах биоинтерфейсов. Общество инженерии в медицине и биологии Института инженеров электротехники и электроники (IEEE Engineering in Medicine and Biology Society), наряду с Обществом исследования материалов (MRS), регулярно оценивают подобные биогибридные технологии на ежегодных симпозиумах.

Клинические гастроэнтерологи и специалисты по регулированию в таких ведомствах, как Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA), обычно оценивают любые технологии, предназначенные для введения в кишечник, с точки зрения биосовместимости, биоизоляции и долговременной безопасности. Когда устройства, содержащие живые микроорганизмы, выносятся на клиническое обсуждение, медицинские экспертные советы неизменно требуют тщательной оценки того, могут ли чужеродные виды бактерий выйти за пределы удерживающих их матриц, изменить нативный микробиом хозяина или занести условно-патогенные микроорганизмы в организм уязвимых групп пациентов.

## What we don't know yet

Ключевые технические параметры и показатели эффективности в предварительных сообщениях остаются нераскрытыми. В первоначальных данных не указывается точный вид или генетический штамм бактерий, инкапсулированных в гидрогель, поэтому остается неизвестным, опирается ли устройство на стандартные лабораторные электроактивные модели, такие как *Shewanella oneidensis*, генетически модифицированные организмы или комменсальные кишечные микробы, адаптированные к пищеварительному тракту человека.

Кроме того, не уточняется срок службы биобатареи. Пока неясно, сколько часов или дней внедренные бактерии способны поддерживать напряжение 0,75 вольта до того, как истощение питательных веществ или накопление побочных продуктов метаболизма остановят выработку электричества. Важнейшие электрохимические показатели — такие как плотность непрерывного тока, пиковая удельная мощность, внутреннее сопротивление и стабильность работы при механическом растяжении или переменных температурах окружающей среды — остаются неопубликованными. Что крайне важно, в сообщениях не указано, тестировалась ли биобатарея исключительно в лабораторных условиях на стенде или же оценивалась в активной биологической модели либо синтетическом желудочном соке, где пищеварительные ферменты и кислая среда могут нарушить целостность гидрогеля.

## What to watch

Дальнейшее развитие этой биобатареи, вдохновленной кишечником, будет зависеть от ряда предстоящих этапов научной и технической валидации. Специалистам следует ожидать публикации рецензируемых данных в профильных журналах по материаловедению и биоинженерии, где будут представлены полные схемы гидрогелевого состава, материалов электродов, питательных сред для бактерий и полные поляризационные кривые разряда.

Будущие этапы исследований будут сосредоточены на тестировании стабильности in vitro в искусственной среде желудка и кишечника. Подтверждение способности гидрогелевой матрицы выдерживать кислый уровень pH вплоть до 1,5 в желудке перед переходом к работе в нейтральных и щелочных условиях тонкого кишечника станет критически важным для применения в проглатываемых устройствах. Исследователям также потребуется продемонстрировать интеграцию на уровне концепта, при которой элемент на 0,75 вольта питает реальный датчик с низким энергопотреблением — например, внутренний датчик температуры, pH-сенсор или беспроводной передатчик — как самостоятельно, так и через миниатюрные интегральные схемы управления питанием (PMIC) с функцией сбора энергии.

Материал подготовлен на основе оригинального репортажа Neetika Walter.