Прозрачные гибкие биосовместимые биотопливные элементы

项目来源

俄罗斯基础研究基金(RFBR)

项目主持人

Панкратов Д.В.

项目受资助机构

未公开

项目编号

14-04-32235

立项年度

2014

立项时间

未公开

项目级别

国家级

研究期限

未知 / 未知

受资助金额

未知

学科

未公开

学科代码

未公开

基金类别

(«мол_а»)(«мол_а») конкурс научных проектов, выполняемых молодыми учеными

关键词

未公开

参与者

未公开

参与机构

未公开

项目标书摘要:Аннотация к заявке: Основной технологической задачей настоящего проекта является создание прозрачных и гибких потенциально имплантируемых ферментативных топливных элементов (ФТЭ), биоустройств, которые могут сыграть определяющую роль в разработке самодостаточных (беспроводных и безбатарейных) микроэлектронных устройств, функционирующих в условиях ex vivo, например электронных контактных линз. Однако, несмотря на серьезную технологическую задачу, предлагаемый проект, прежде всего, ориентирован на фундаментальное изучение особенностей функционирования прозрачных, гибких и биосовместимых наноструктурированных биомодифицированных электродов – составных частей ФТЭ. В рамках выполнения проекта будут изучены основные биоэлектрохимические характеристики прозрачных и гибких биоанодов и биокатодов, таких как константа скорости гетерогенного переноса, каталитическая константа иммобилизованного фермента, потенциал открытой цепи, плотность тока, и т.д., как с использованием простых буферных растворов, так и сложных физиологических жидкостей человека (слезы, пот, слюна). Прикладным результатом проекта будет создание на базе разработанных биоэлектродов прозрачных и гибких ФТЭ, исследования их функционирования в буферных растворах и физиологических жидкостях человека, а именно измерение вольтажа открытой цепи, плотности электрической энергии, а также долговременной и операционной стабильности биоустройств. На заключительном этапе проекта будет проведена экспериментальная оценка возможности использования гибких и прозрачных ФТЭ как потенциальных источников электропитания современных биоэлектронных устройств, в частности, гибких низковольтажных дисплеев компании Acreo AB.Аннотация к отчету по результатам реализации проекта: В ходе выполнения Проекта с использованием метода наноштамповой литографии были изготовлены прозрачные гибкие электроды на полимерной биосовместимой подложке, обладающие упорядоченной наноструктурированной поверхностью. Полученные электроды были детально охарактеризованы электрохимическими, микроскопическими и спектрофотометрическими методами. С целью последующей биомодификации изготовленных электродов были получены и дополнительно очищены грибные катодный (билирубиноксидаза из Myrothecium verrucaria) и анодный (целлобиозодегидрогеназа из Corynascus thermophilus) редокс ферменты. Изучены основные биохимические и каталитические характеристики полученных оксидоредуктаз. Проведена оптимизация методов иммобилизации редокс ферментов на наноструктурированной золотой поверхности, изучены особенности функционирования биомодифицированных прозрачных и непрозрачных гибких наноструктурированных электродов в буферных растворах, близких по составу к физиологическим жидкостям человека. Изучены особенности функционирования прозрачных, гибких, биосовместимых биоэлектродов (биоанодов и биокатодов) с упорядоченной наноструктурированной поверхностью, а также ферментных топливных элементов на их основе, в слезной, слюнной и потовой жидкостях человека. Доказана перспективность использования ферментных топливных элементов как источников питания для низковольтажных биоэлектронных устройств, функционирующих в слезной жидкости человека, а также использования наночастиц оксида индия-олова как электропроводящей основы для создания прозрачных и гибких ферментных биоэлектродов. По материалам исследований опубликовано 4 статьи в международных журналах, 1 статья принята к печати и будет опубликована в 2016 г. Все заявленные задачи Проекта были выполнены в полном объеме.

  • 排序方式:
  • 1
  • /
  • 1.Transparent and flexible, nanostructured and mediatorless glucose/oxygen enzymatic fuel cells

    • 关键词:
    • Enzymatic fuel cell; Flexible; Transparent; Nanostructured; Mediatorless;HYDROGEN-PEROXIDE FORMATION; AIR DIFFUSION BIOCATHODE; BIOFUEL CELL;OXYGEN REDUCTION; GOLD ELECTRODES; CARBON; LACCASE; ACID
    • Pankratov, Dmitry;Sundberg, Richard;Sotres, Javier;Maximov, Ivan;Graczyk, Mariusz;Suyatin, Dmitry B.;Gonzalez-Arribas, Elena;Lipkin, Aleksey;Montelius, Lars;Shleev, Sergey
    • 《JOURNAL OF POWER SOURCES》
    • 2015年
    • 294卷
    • 期刊

    Here we detail transparent, flexible, nanostructured, membrane-less and mediator-free glucose/oxygen enzymatic fuel cells, which can be reproducibly fabricated with industrial scale throughput. The electrodes were built on a biocompatible flexible polymer, while nanoimprint lithography was used for their nanostructuring. The electrodes were covered with gold, their surfaces were visualised using scanning electron and atomic force microscopies, and they were also studied spectrophotometrically and electrochemically. The enzymatic fuel cells were fabricated following our previous reports on membrane-less and mediator-free biodevices in which cellobiose dehydrogenase and bilirubin oxidase were used as anodic and cathodic biocatalysts, respectively. The following average characteristics of transparent and flexible biodevices operating in glucose and chloride containing neutral buffers were registered: 0.63 V open-circuit voltage, and 0.6 mu W cm(-2) maximal power density at a cell voltage of 0.35 V. A transparent and flexible enzymatic fuel cell could still deliver at least 0.5 mu W cm(-2) after 12 h of continuous operation. Thus, such biodevices can potentially be used as self-powered biosensors or electric power sources for smart electronic contact lenses. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.

    ...
  • 2.Scalable, high performance, enzymatic cathodes based on nanoimprint lithography

    • 关键词:
    • bilirubin oxidase; bio-electrocatalysis; direct electron transfer;nanoimprint lithography; oxygen reduction reaction;OXYGEN REDUCTION REACTION; DIRECT ELECTRON-TRANSFER; MULTICOPPEROXIDASES; BILIRUBIN OXIDASE; LACCASE; GOLD; COPPER; BIOELECTROCATALYSIS;ELECTROCHEMISTRY; NANOPARTICLES
    • Pankratov, Dmitry;Sundberg, Richard;Sotres, Javier;Suyatin, Dmitry B.;Maximov, Ivan;Shleev, Sergey;Montelius, Lars
    • 《BEILSTEIN JOURNAL OF NANOTECHNOLOGY》
    • 2015年
    • 6卷
    • 期刊

    Here we detail high performance, enzymatic electrodes for oxygen bio-electroreduction, which can be easily and reproducibly fabricated with industry-scale throughput. Planar and nanostructured electrodes were built on biocompatible, flexible polymer sheets, while nanoimprint lithography was used for electrode nanostructuring. To the best of our knowledge, this is one of the first reports concerning the usage of nanoimprint lithography for amperometric bioelectronic devices. The enzyme (Myrothecium verrucaria bilirubin oxidase) was immobilised on planar (control) and artificially nanostructured, gold electrodes by direct physical adsorption. The detailed electrochemical investigation of bioelectrodes was performed and the following parameters were obtained: open circuit voltage of approximately 0.75 V, and maximum bio-electrocatalytic current densities of 18 mu A/cm(2) and 58 mu A/cm(2) in air-saturated buffers versus 48 mu A/cm(2) and 186 mu A/cm(2) in oxygen-saturated buffers for planar and nanostructured electrodes, respectively. The half-deactivation times of planar and nanostructured biocathodes were measured to be 2 h and 14 h, respectively. The comparison of standard heterogeneous and bio-electrocatalytic rate constants showed that the improved bio-electrocatalytic performance of the nanostructured biocathodes compared to planar biodevices is due to the increased surface area of the nanostructured electrodes, whereas their improved operational stability is attributed to stabilisation of the enzyme inside nanocavities.

    ...
  • 3.Miniature Direct Electron Transfer Based Enzymatic Fuel Cell Operating in Human Sweat and Saliva

    • 关键词:
    • Enzymatic Fuel Cell; Microscale; Non-Invasive; Saliva; Sweat;BIOFUEL CELLS; STABILITY; GLUCOSE; BLOOD
    • Falk, M.;Pankratov, D.;Lindh, L.;Arnebrant, T.;Shleev, S.
    • 《FUEL CELLS》
    • 2014年
    • 14卷
    • 6期
    • 期刊

    We present data on operation of a miniature membrane-less direct electron transfer based enzymatic fuel cell in human sweat and saliva. The enzymatic fuel cell was fabricated following our previous reports on miniature biofuel cells, utilizing gold nanoparticle modified gold microwires with immobilized cellobiose dehydrogenase and bilirubin oxidase. The following average characteristics of miniature glucose/oxygen biodevices operating in human sweat and saliva, respectively, were registered: 580 and 560 mV open-circuit voltage, 0.26 and 0.1 mu W cm(-2) power density at a cell voltage of 0.5 V, with up to ten times higher power output at 0.2 V. When saliva collected after meal ingestion was used, roughly a two-fold increase in power output was obtained, with a further two-fold increase by addition of 500 mu M glucose. Likewise, the power generated in sweat at 0.5 V increased two-fold by addition of 500 mu M glucose.

    ...
  • 4.The influence of nanoparticles on enzymatic bioelectrocatalysis

    • 关键词:
    • DIRECT ELECTRON-TRANSFER; GOLD NANOPARTICLE; FUEL-CELLS; DIRECTELECTROCHEMISTRY; BILIRUBIN OXIDASE; CARBON NANOTUBES; GLUCOSE-OXIDASE;BIOFUEL CELLS; REDUCTION; PROTEINS
    • Pankratov, Dmitry;Sundberg, Richard;Suyatin, Dmitry B.;Sotres, Javier;Barrantes, Alejandro;Ruzgas, Tautgirdas;Maximov, Ivan;Montelius, Lars;Shleev, Sergey
    • 《RSC ADVANCES》
    • 2014年
    • 4卷
    • 72期
    • 期刊

    In nearly all papers concerning enzyme-nanoparticle based bio-electronic devices, it is stated that the presence of nanoparticles on electrode surfaces per se enhances bioelectrocatalysis, although the reasons for that enhancement are often unclear. Here, we report detailed experimental evidence that neither an overpotential of bioelectrocatalysis, nor direct electron transfer and bioelectrocatalytic reaction rates for an adsorbed enzyme depend on the size of nanoparticles within the range of 20-80 nm, i.e. for nanoparticles that are considerably larger than the enzyme molecules.

    ...
  • 排序方式:
  • 1
  • /