植入式光驱动人工设计细胞生物混合器件实现电能生成新突破

这篇开创性研究开发了基于光控离子通道（hChR2/C1V1/eArch3.0）的基因工程人源细胞（SCs），通过Nafion膜质子梯度产生0.4V电势，串联器件可驱动LED。该植入型太阳能收集装置（SCD）在3 mW cm?2光照下实现0.0027%光电转换效率，为生物电子植入物提供了新型可持续能源方案。

　　

工程化验证光伏人源设计细胞

研究团队通过基因工程改造HEK-293细胞，系统评估了包括hChR2(H134R)（蓝光敏感阳离子通道）、C1V1(t/t)（绿光敏感通道）、eArch3.0（黄光质子泵）等7种光敏感膜蛋白。通过Sleeping Beauty转座子系统构建的稳定转染单克隆细胞系SC（含hChR2/C1V1/eArch3.0组合），在3 mW cm^?2白光照射下可使细胞培养液pH从7.4降至5.8，产生40倍质子浓度差。插入式装置SCD1测试显示，该组合电压输出达0.408V，显著高于瞬时转染细胞（0.25V）或单通道表达细胞。

植入式SCD2器件的电化学机制

第二代装置SCD2采用3D打印聚乳酸（PLA）框架与Nafion117质子交换膜，通过模拟实验证实电压输出与Na⁺浓度梯度（75-450mM）和pH梯度（4.0-7.4）呈非线性正相关。电化学分析揭示其工作原理：光照激活通道引起细胞膜去极化，质子泵将H⁺泵出形成胞外高质子环境，通过Nafion膜的定向质子流驱动外电路电子转移。值得注意的是，当电流密度<1mA cm^?2时，可避免氯气毒性副产物生成。

小鼠体内性能验证

皮下植入SCD2的活体实验显示，含1×10⁷ cells/mL SCs的装置在30分钟光照后产生0.08μW cm^?2功率密度，24小时后重复光照仍保持稳定输出。通过铂手术缝合线采集的电信号证实，该系统的功率输出与细胞密度（1-10×10⁶ cells/mL）和光照时间（5-30分钟）呈正相关，但存在0.08μW cm^?2的饱和阈值。

模块化扩展应用

串联3个SCD2可使电压提升至1.2V，并联则使功率增至0.24μW。第三代大面积器件SCD3（直径3.5cm）装载1×10⁸ cells时，7个串联单元可输出2.8V电压，成功驱动商业LED（阈值2.3V）。这种基于哺乳动物细胞的仿电鳗器官设计，相比传统电子传递链系统具有更好的生物相容性，为可穿戴传感器和光遗传学调控装置提供了新型能源解决方案。