基于活細胞膜電位的自供電溫度傳感器實現(xiàn)遠程溫度監(jiān)測

如今，自主和自供電傳感器被應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、工業(yè)自動化、智慧城市和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）等。在此框架下，學(xué)術(shù)研究引領(lǐng)了探索可持續(xù)和循環(huán)解決方案的道路，以滿足小型電子設(shè)備的電能需求。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，意大利佩魯賈大學(xué)（University of Perugia）的研究人員基于從單根比目魚肌纖維收集的電能的使用，提出了一種對生物細胞及其周圍環(huán)境進行遠程溫度測量的新方法。該方法采用了一個優(yōu)化的RLC電路，嵌入在細胞中，其中電容器可作為能量存儲單元，利用其固有的溫度敏感性，又可作為溫度傳感器。實驗數(shù)據(jù)證實，所開發(fā)的系統(tǒng)可以利用從細胞膜收集的能量來無線傳輸溫度，并且可以在生物活性相關(guān)的范圍內(nèi)（30°C至50°C）使用。這種自供電溫度傳感器具有改善生物醫(yī)學(xué)傳感和非侵入式遠程溫度監(jiān)測領(lǐng)域的潛力。相關(guān)研究成果以“Self-Powered Temperature Sensors Harnessing Membrane Potential of Living Cells”為題發(fā)表在Nano Energy期刊上。

在這項工作中，研究人員考慮到肌纖維可以最大化質(zhì)膜的電勢差，因為其靜息電位可以達到-90 mV。研究人員探索了利用比目魚肌纖維的質(zhì)膜電位來評估自供電生物傳感器技術(shù)實施的可能性。初步的LTspice仿真用于設(shè)計能夠測量感興趣的生物參數(shù)（即溫度）的無線通信系統(tǒng)。為此，研究人員對RLC電路進行了建模和優(yōu)化，該電路的振蕩頻率隨細胞溫度的變化而變化。這使研究人員能夠在不同的實驗條件下制造和測試由比目魚肌纖維直接供電的溫度傳感器，研究其整體效率和可靠性。

生物能發(fā)電機和能量提取電路

通過研究人員的實驗裝置，可以利用電容C1的變化，從而利用不同溫度下振蕩的阻尼頻率。由于骨骼肌纖維存在于哺乳動物身體的每個部位，利用研究人員的方法，一個自供電的溫度傳感器可以植入人體的任何地方。這有助于監(jiān)測和了解細胞內(nèi)的溫度變化，這可能對各種生物過程具有重要意義，例如惡性乳腺腫瘤的增殖，或用于靶向給藥的生物機器人的集成。

實驗裝置

研究人員還對生物細胞產(chǎn)生的能量進行了實驗測試。研究人員從小鼠體內(nèi)分離出比目魚肌，并在一根纖維內(nèi)插入一個細胞內(nèi)電極，證明了直接從細胞膜收集電能的可行性。在測試過程中收集-60 mV電壓和2 μJ電能，存儲在1 mF的電容上，最后用于實現(xiàn)無源傳感裝置。研究人員證明了骨骼肌的表現(xiàn)甚至比之前研究中使用的卵母細胞更好。

通過比目魚肌纖維為電容器充電

研究人員將實驗結(jié)果與RLC電路的模型進行了比較，結(jié)果表明，實驗測量與理論預(yù)測吻合較好。然而，從纖維中獲得的低電壓可能對無線通信的低功率電子接口的實現(xiàn)構(gòu)成挑戰(zhàn)。盡管如此，這項研究中提出的自主溫度傳感器使用了專門選擇的連接到生物能發(fā)電機的存儲電容器，并且它可以在近距離（10 mm）內(nèi)與外部接收器通信。

這種溫度傳感器經(jīng)過校準(zhǔn)，能夠以160 Hz的頻率帶寬在室溫和生物活性相關(guān)的溫度范圍（從30 °C到50 °C）內(nèi)傳輸溫度。在未來，該系統(tǒng)還可以小型化，以更高的頻率進行溫度傳感，但必須正確設(shè)計電子電路的能效，以避免寄生電阻和進一步的能量耗散。

溫度傳感器特性

總而言之，研究人員強調(diào)了生物細胞作為小規(guī)模生物嵌入式應(yīng)用的能源的潛力。通過利用活細胞，特別是動物細胞（肌肉纖維）的功能，可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，從而開發(fā)出自供電的生物嵌入式傳感器。與可充電電池和動能收集技術(shù)相比，這種解決方案具有明顯的優(yōu)勢，為未來將生物嵌入式電子設(shè)備集成到生物系統(tǒng)中鋪平了道路。這項技術(shù)有可能建立一類能夠直接與活體內(nèi)的生物細胞交互的生物能量自主傳感器。該領(lǐng)域的進一步研究和發(fā)展將有助于能量收集技術(shù)的進步和生物嵌入式電子技術(shù)的發(fā)展。

審核編輯：劉清