Advanced Energy Materials：利用微生物发电的胶囊内镜，可畅行最百转千回的小肠！

导语：体验过肠镜的人都知道其中难以言喻的糟糕滋味，但这一般也仅指电子结肠镜，即只能检查结肠，如果要检查小肠，需要进行专门的小肠镜检查，难度更大、风险更高、操作更复杂，一般不会作为首选办法。胶囊内镜的出现给小肠检查带来了更安全舒适的选择，但悬而未决的动力来源问题阻碍了其进一步的发展。现在，科学家利用微生物在肠液环境下发电，让胶囊内镜能够在小肠中来去自如！

小肠是人体最长的消化管道，盘曲于腹腔内，全长约4-6米，因其特殊的解剖结构，相关疾病的诊治都较为困难。小肠镜检查是诊断小肠疾病的“金标准”，但相对结肠镜和上消化道内窥镜检查而言，小肠镜检查技术设备要求更高、风险也相应增加，一般不作为首选的检查，只有在上消化道内窥镜、结肠镜排除了小肠以外部位的病灶或疑为小肠病变时才适用。

图1 人体肠道结构（图源：pixabay）

胶囊内镜则比普通胃肠镜轻松很多，患者只需要吞下一颗胶囊，就可以对胃肠道内部连续快速拍摄影像，监测胃肠道的异常情况。虽然目前进入商业化的胶囊内镜可用功能仅限于成像和一些生理参数的监测，但当胶囊内镜与传感、药物输送、手术干预和远程数据通信技术相结合时，将具备更高的应用潜力。此外，胶囊内镜正从被动依靠肠道蠕动向着主动驱动发展，将能更好地完成长期监测和精确定位治疗功能。

不过，过去的研究主要集中在传感、驱动和其他许多新功能组件的开发和集成上，却忽视了动力来源的重要性。目前的胶囊内镜多依赖于原电池，但原电池体积大、寿命有限、具有生物毒性，使得其在保证长期运行和系统集成上“心有余而力不足”。而在肠道环境中，想要通过收集机械能或者热能的方法为胶囊内镜摄取能量，不仅受限于位置，不能保证能源的稳定供应，而且能量转换效率低下。从体外进行的无线电力传输也是一样，还需要外部设备。酶燃料电池则面临酶保质期短且不稳定的挑战。

为此，纽约州立大学宾厄姆顿分校的生物电池研究人员提出了一种利用细菌发电的解决方案。这一方案利用了小肠环境中接近37℃的稳定内部温度、中性的pH值和富含营养的肠液，使得在饥饿条件下休眠成内生孢子的细菌，在营养充足时复苏，并在新陈代谢的过程中产生细菌生物电。相关成果以“A Biobattery Capsule for Ingestible Electronics in the Small Intestine： Biopower Production from Intestinal Fluids Activated Germination of Exoelectrogenic Bacterial Endospores”为题发表于Advanced Energy Materials。

图2 研究成果

研究人员使用益生菌枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）内生孢子作为生物催化剂。枯草芽孢杆菌具备在不利条件下休眠成孢子的能力，当引入必要的萌发剂和营养物（如肠液），孢子就会萌发，恢复到代谢活跃的状态，并能将电子转移到外部电极。内生孢子的保质期非常长，极端条件下也能保存超过2年而不损失细菌的活力。

为了加快发芽减少发电的启动时间，研究人员在含有内生孢子的阳极通道顶部额外设计了一个富含营养的发芽层。当胶囊外包裹的膜层选择性地在中性pH值的小肠中花费一定时间溶解后，构成阳极室的亲水性水凝胶会吸收肠液和发芽层中的萌发剂，使得内生孢子萌发。研究人员监测孢子萌发情况和电输出情况发现，随着越来越多的孢子萌发，电输出大约能在60分钟内达到峰值，产生0.57V的开路电压，62μW cm-2的功率密度，以及445μW cm-2的电流密度，这在目前报告的微生物燃料电池中表现是最好的。启动时间上，胶囊在小肠中转运时间一般为3小时，也符合要求。

图3 生物电池胶囊整体工作原理

不过，能达到这一效果并不仅仅依靠枯草芽孢杆菌。这是一种弱产电原，其电子转移依赖于间接、低效的自分泌介质。为了提升其胞外电子转移（extracellular electron transfer，EET）效率，并集成到适合的胶囊大小，电池阳极的设计需要满足以下要求：1）微孔结构保证较大的表面积，能支持更多的细菌附着并输送营养给细菌代谢；2）卓越的导电和电催化能力以提高细菌的EET率；3）足够的机械强度作为细菌附着的支架；4）较高的液体吸附能力和芯吸肠液能力；5）对于细菌具有良好的生物相容性和生物亲和性。为此，研究人员专门创造了一种新材料：PEDOT：PSS水凝胶。

图4 扫描电子显微镜下PEDOT：PSS水凝胶具有原始PEDOT：PSS固体不具备的3D微孔结构

而为了能让细菌在缺氧的小肠环境中稳定地氧化营养物质，通过呼吸代谢产生电子和质子，研究人员使用了加州大学圣地亚哥分校团队提出的一种长寿命富氧阴极，并证实了其在低或波动氧气浓度下作为内部氧气可靠来源的可行性。

最终，研究人员在模拟食道、胃、小肠的三种水性缓冲溶液中测试胶囊的性能。由于食道环境pH值也是中性，虽然胶囊一般会在不到10秒内通过食道，研究人员将时间延长到了1分钟，确保胶囊外的膜层不会在食道中溶解。结果表明，胶囊在食道和胃的模拟溶液中均未产生电输出，而在小肠中，大约在20分钟内产生了约0.55V的电压。

进一步在模拟肠液中进行概念验证，胶囊表现出了更好的电气性能，达到了约0.6V的开路电压、98μW cm-2的功率密度，以及445μW cm-2的电流密度。若在胶囊内串联两枚电池，功率和输出电压将进一步提升，显示出这种微生物燃料电池的巨大潜力。

不过，这项研究的通讯作者、Thomas J. Watson工程与应用科学学院电气与计算机工程系Seokheun Choi教授表示，未来“还有很长的路要走”。

原始出处：

Maryam Rezaie， Zahra Rafiee， Seokheun Choi， A Biobattery Capsule for Ingestible Electronics in the Small Intestine： Biopower Production from Intestinal Fluids Activated Germination of Exoelectrogenic Bacterial Endospores， Advanced Energy Materials (2022).