基于活细胞膜电位的自供电温度传感器，实现远程温度监测
2023-12-23 10:41:40   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

如今，自主和自供电传感器被应用于各种领域，例如物联网（IoT）、工业自动化、智慧城市和结构健康监测（SHM）等。在此框架下，学术研究引领了探索可持续和循环解决方案的道路，以满足小型电子设备的电能需求。

据麦姆斯咨询报道，近日，意大利佩鲁贾大学（University of Perugia）的研究人员基于从单根比目鱼肌纤维收集的电能的使用，提出了一种对生物细胞及其周围环境进行远程温度测量的新方法。该方法采用了一个优化的RLC电路，嵌入在细胞中，其中电容器可作为能量存储单元，利用其固有的温度敏感性，又可作为温度传感器。实验数据证实，所开发的系统可以利用从细胞膜收集的能量来无线传输温度，并且可以在生物活性相关的范围内（30°C至50°C）使用。这种自供电温度传感器具有改善生物医学传感和非侵入式远程温度监测领域的潜力。相关研究成果以“Self-Powered Temperature Sensors Harnessing Membrane Potential of Living Cells”为题发表在Nano Energy期刊上。

在这项工作中，研究人员考虑到肌纤维可以最大化质膜的电势差，因为其静息电位可以达到-90 mV。研究人员探索了利用比目鱼肌纤维的质膜电位来评估自供电生物传感器技术实施的可能性。初步的LTspice仿真用于设计能够测量感兴趣的生物参数（即温度）的无线通信系统。为此，研究人员对RLC电路进行了建模和优化，该电路的振荡频率随细胞温度的变化而变化。这使研究人员能够在不同的实验条件下制造和测试由比目鱼肌纤维直接供电的温度传感器，研究其整体效率和可靠性。

生物能发电机和能量提取电路

通过研究人员的实验装置，可以利用电容C1的变化，从而利用不同温度下振荡的阻尼频率。由于骨骼肌纤维存在于哺乳动物身体的每个部位，利用研究人员的方法，一个自供电的温度传感器可以植入人体的任何地方。这有助于监测和了解细胞内的温度变化，这可能对各种生物过程具有重要意义，例如恶性乳腺肿瘤的增殖，或用于靶向给药的生物机器人的集成。

实验装置

研究人员还对生物细胞产生的能量进行了实验测试。研究人员从小鼠体内分离出比目鱼肌，并在一根纤维内插入一个细胞内电极，证明了直接从细胞膜收集电能的可行性。在测试过程中收集-60 mV电压和2 µJ电能，存储在1 mF的电容上，最后用于实现无源传感装置。研究人员证明了骨骼肌的表现甚至比之前研究中使用的卵母细胞更好。

通过比目鱼肌纤维为电容器充电

研究人员将实验结果与RLC电路的模型进行了比较，结果表明，实验测量与理论预测吻合较好。然而，从纤维中获得的低电压可能对无线通信的低功率电子接口的实现构成挑战。尽管如此，这项研究中提出的自主温度传感器使用了专门选择的连接到生物能发电机的存储电容器，并且它可以在近距离（10 mm）内与外部接收器通信。

这种温度传感器经过校准，能够以160 Hz的频率带宽在室温和生物活性相关的温度范围（从30 °C到50 °C）内传输温度。在未来，该系统还可以小型化，以更高的频率进行温度传感，但必须正确设计电子电路的能效，以避免寄生电阻和进一步的能量耗散。

温度传感器特性

总而言之，研究人员强调了生物细胞作为小规模生物嵌入式应用的能源的潜力。通过利用活细胞，特别是动物细胞（肌肉纤维）的功能，可以将化学能转化为电能，从而开发出自供电的生物嵌入式传感器。与可充电电池和动能收集技术相比，这种解决方案具有明显的优势，为未来将生物嵌入式电子设备集成到生物系统中铺平了道路。这项技术有可能建立一类能够直接与活体内的生物细胞交互的生物能量自主传感器。该领域的进一步研究和发展将有助于能量收集技术的进步和生物嵌入式电子技术的发展。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109211

延伸阅读：

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