首个可生物降解的3D打印真菌电池

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  3D打印真菌电池究竟是什么
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  两种真菌如何分担电子传递路径
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  打印能让真菌存活的电极
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  边界条件：电池在何处有效、在何处失效
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  3D打印真菌电池在真实产品中的定位
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  设计选择及其代价

3D打印真菌电池是一种围绕两种活体生物构建的微生物燃料电池。一侧承载酵母，酵母在消化营养物质时释放电子。另一侧承载白腐真菌，白腐真菌产生一种酶，能将电子传递到阴极。两个电极通过打印成型，真菌从一开始就是打印结构的一部分，而非在电池组装完成后才接种。

最后一点才是真正的区别。在传统微生物燃料电池中，先搭建硬件，再接种。而在这里，墨水携带生物体，因此电极几何形状是围绕活体材料设计的。电池并非恰好含有真菌的电池，真菌是电极的结构组成部分。

整个组件按可生物降解设计。电极、隔膜和外壳在寿命终止时应当降解，而不是进入危险废物处理。这就是标题中“可生物降解”一词的依据，也是材料体系如此狭窄的原因。

首先需要说明一点。与锂电池相比，功率密度很低，通常相差数个数量级。3D打印真菌电池是传感器电源或研究平台，不是手机电池。阅读本页其余内容时请记住这一限制。

阳极侧进行发酵。酵母消耗糖分并释放电子和质子。这些电子必须到达阳极表面，而酵母自身无法高效完成这一过程。打印阳极给菌落提供导电、高比表面积的支架，使细胞与导体之间的距离保持较短。

阴极侧进行酶促还原。白腐真菌分泌一种酶，从阴极接受电子并传递给氧气。没有这种酶，普通碳表面的氧还原很慢，电池电压下降。真菌在做氢燃料电池中铂催化剂所做的工作。

两个反应必须隔离。如果阳极液和阴极液混合，电池发生化学短路，电压崩溃。这就是打印隔膜与电极同样重要的原因。隔膜必须允许质子通过、阻挡糖和氧气交叉，同时仍可打印。

这些系统中的电子传递大多通过介体进行，而非直接传递。生物体产生或使用一种可溶性穿梭分子，在细胞壁与电极之间携带电荷。介体浓度、pH和温度都会改变内阻。改变其中任何一项，极化曲线就会偏移。

墨水是难点。它必须能通过喷嘴挤出、沉积后保持形状、传导电子并保持生物相容性。这四项要求相互制约。提高碳含量可改善导电性，但会使墨水变硬，并可能在挤出过程中剪切细胞。

喷嘴直径在分辨率与存活率之间形成权衡。小喷嘴给出精细特征和更高表面积，但提高壁面剪切应力。大喷嘴对生物体温和，但打印的晶格粗糙。多数工作落在中间范围，晶格支柱宽度为几百微米。

打印温度和後处理受到限制。不能烧结打印的真菌电极，因为烧结会杀死生物体。干燥步骤必须保持在接近环境温度。任何固化都必须在真菌耐受的条件下进行，这通常排除高温和强溶剂。

几何形状是增材制造发挥价值之处。晶格或螺旋结构每单位体积提供的活性表面积远高于平板。它还固定了集流体与外层菌落之间的距离，这决定了生物膜实际贡献电流的比例。

启动很慢。菌落必须在打印支架上建立起来，电流才能稳定。预期需要数小时到数天，而非数分钟。在此期间，即使化学状态正常，电池在仪表上看起来也像没电。

温度窗口很窄。这些生物体在温暖室温所在的范围内工作最佳，低温时明显变慢。冷冻会破坏结构。超过耐受上限，酶变性，阴极停止还原氧气。

原料的影响比多数人预期更大。简单糖类发酵快，初始电流高但会衰减。复杂原料如废水或植物废弃物输出较低但更稳定。如果需要长时间无人值守运行，第二种方案通常更优。

湿度和氧气接触控制阴极。密封太严，阴极缺氧。开口太大，阳极液干涸。带受控通气路径的打印外壳通常是最简单的解决办法。

污染是那种不易察觉的失效模式。外来的细菌如果竞争过酵母，电流会降到接近零，而外观上没有任何变化。装配时无菌操作，加上选择性培养基，两者都能降低风险。

近期现实可行的用途是低功耗、长寿命传感。土壤湿度传感器、环境监测器和远程标签需要微安到毫安级电流，而一种靠本地营养物运行、用完后可生物降解的电池很有吸引力。你是在用功率密度换取处置便利和供应链简化。

第二个用途是研究硬件。由于电极是打印出来的，你可以在不同批次之间改变孔径、支柱宽度和表面化学性质，并测量它们对电流的影响。用压制的碳毡就很难做到这一点，因为其几何结构由供应商固定。

它不适合大电流应用。任何需要瓦级功率、快速充电或稳定电压轨的场合都不在范围内。不要把真菌电池设计进期望锂电池行为的产品里，因为它的放电曲线平坦且偏低，还会随温度漂移。

对于围绕电池搭建非生物硬件的团队来说，打印外壳、集流体和测试工装都是普通的机加工和模塑零件。这部分由我们来做。3D 打印真菌电池是一个研究平台；固定它的工装需要尺寸稳定且可重复。

如果你在制作这类硬件的原型，最关键的公差是电极型腔和密封面。型腔控制在 ±0.005 mm 可使隔膜均匀受压，这直接影响内阻。配合松了会漏，紧了会压溃打印的晶格。