基于三维多孔复合载体的酶固定化电极修饰方法研究

Despite the most intuitive application of enzyme biofuel cells for implantable power, they still suffer from low electron mobility during electro-catalytic process and poor stability. With the rapid accumulation of enzyme engineering technology, chracterization techniques, nanomaterials and new carbon materials, enzyme-immobilization electrode modified method is becoming an important way for improving the performance of enzyme biofuel cells. In this proposal， aimed to improve the effective electron transfer rate between the enzyme active centre and the electrode surface and the stability of the enzyme， we first proposed a enzyme modified method with three dimensional porous structure based on highly conductive carbon nanomaterials and biocompatible materials. We will also investigate the electrical and biochemical properties of the enzyme electrode with the natural physiological substrate, the results will provide a advanced technical approach for the enzyme modified electrode used for implantable electronic equipments.

酶生物燃料电池在植入式电子设备研究领域发展潜力巨大，但当前研究尚存在电催化过程电子迁移效率低、生物酶稳定性差等问题。近年来，随着酶工程技术、表征技术、纳米材料和新型碳材料的快速积累，基于高导电性载体材料的酶固定化电极修饰方法正成为改进酶生物燃料电池性能的重要途径。本项目拟基于高导电性碳纳米材料和生物相容性材料，提出一种具有三维多孔结构的酶电极修饰方法，以提高酶活性中心与电极之间的有效电子传递速率、及其在电极表面的稳定性，并研究该电极在天然生理底物中的电生化性能，为植入式电子设备用酶修饰电极研制提供先进的技术途径。

由于酶生物燃料电池可以利用生物体内的葡萄糖、氧气等物质进行在体发电，所以在需要持续提供电能的植入式电子器件中具有潜在的应用价值。该领域的研究正在成为目前国际生物电化学研究的前沿领域之一。本项目围绕酶生物燃料电池中的关键问题，结合材料科学等相关领域的最新进展，按照“复合载体构建——酶修饰电极构建——酶修饰电极性能研究”的技术路线开展了酶生物燃料电池的研究。主要研究工作包括：（1）获得了导电聚合物/碳纳米材料（PTh/MWNT）、基于导电聚合物碳化网络的PANI@CNTs和PANI@GO、基于有机金属框架（MOF）的铝基纳米多孔配位聚合物等3种可用于GOx修饰电极的三维复合载体。（2）针对目前固定酶容易脱落失活的问题，选用对葡萄糖具有良好催化氧化性能，且于在体供电中具有明显优势与代表性的葡萄糖氧化酶（GOx）作为研究对象构筑酶修饰电极，建立了一种静电吸附与包埋联合固定GOx技术，使固定化GOx更加稳定。（3）利用上述载体材料构筑酶修饰电极，对其开展电化学性能、生物催化性能，以及血清环境的性能测试研究。结果表明，通过碳化PANI和导电碳纳米材料的协同效应，该复合载体材料可以作为催化FAD还原的高效电化学催化剂，基于PANI@CNTs复合载体构建的葡萄糖/氧气生物燃料电池在0.45 V处的最大功率密度为1.12 mW•cm-2。该电池在牛血清环境中也获得了0.68 V的开路电压，并且在0.42 V处的最大功率密度为0.55 mW•cm-2。本工作为植入式酶型生物燃料电池的构筑提供了有益的探索和借鉴。