本文系统综述了基于纳米材料的酶生物燃料电池（EBFCs）在可穿戴和植入式生物电子设备中的研究进展。文章从 EBFCs 的工作机制与分类出发，探讨了纳米材料在电极设计中的核心作用，包括酶的固定与稳定、电子传递效率提升及催化反应优化，并分析了 EBFCs 在生物电子领域的应用场景，如自供电传感器和药物释放系统。研究强调了纳米材料在解决 EBFCs 稳定性与能量密度瓶颈中的关键作用。

可穿戴与植入式生物电子设备的广泛应用对微型化、生物相容的能源供给提出了迫切需求。传统锂离子电池因毒性物质和更换困难等问题，难以满足长期植入的需求。EBFCs 通过生物代谢物（如葡萄糖、乳酸）与氧气的电化学反应产生电能，被视为理想替代能源。然而，酶的不稳定性及低效的电子传递制约了其性能。纳米材料凭借高比表面积和可调控表面特性，为 EBFCs 的电极优化提供了新的路径，显著提升了功率密度与寿命。

一、EBFCs 的工作机制与类型

EBFCs 的基本结构与传统燃料电池相似，但采用酶或微生物作为生物催化剂，可在中性 pH（5–8）及体温（25–37℃）下工作。其结构分为双室（膜式）与单室（无膜）两类，无膜设计通过酶的高选择性避免了燃料的交叉反应。常用燃料包括血液中的葡萄糖与汗液中的乳酸，对应阳极酶为葡萄糖氧化酶（GOx）和乳酸氧化酶（LOx），阴极采用多铜氧化酶催化氧气还原。电子传递分为直接（DET）与介导（MET）两种机制，DET 依赖酶活性中心与电极的近距离接触，而 MET通过氧化还原介体实现，但该过程可能引入毒性（图 1）。

图1.（a）EBFC 示意图；（b）酶与电极之间的直接（阴极）和介导（阳极）电子转移

二、纳米材料在电极中的功能

纳米材料通过高比表面积、可控孔结构及表面功能化，显著提升了 EBFCs 的酶负载量、稳定性和电子传递效率。碳基材料（如碳纳米管、三维石墨烯）及金属有机框架（MOFs）因其多孔结构被广泛用于酶固定。例如，MgO 模板化多孔碳通过调控孔径适配酶尺寸，提升酶负载量。MOFs 可在封装酶的同时保护其免受生物分子攻击。金纳米颗粒通过硫醇基团与酶特异性结合，能够实现高密度的酶层组装（图 2）。电子传递优化方面，纳米多孔结构（如介孔碳）通过缩短酶活性中心与电极间距促进了 DET，氮掺杂碳材料可增强电子迁移率（图 3）。

图2.（a）以 MgO 为模板的多孔碳作为酶载体；（b）通过可控刻蚀策略合成基于分层多孔的 GDH/NAD@ZIF-L 微反应器；（c）用（来自漆斑菌属）胆红素氧化酶（BODx）对涂金的巴基纸电极进行表面修饰；（d）（来自黑曲霉的）GOx/ ITO纳米共混膜在主体电极上的示意图

图3.（a）在椭圆形孔内以及平面上固定酶；（b）由于静电效应诱导的定向固定化作用，细胞色素 P450 BM3 与 NH₂-DMSNs 之间实现了高效的电子转移

三、EBFCs 在生物电子中的应用

柔性电极设计（如碳布、石墨烯片）使 EBFCs 可集成于纺织品或皮肤贴片。例如，基于湿度管理织物（MMF）的 EBFC 通过调控汗液传输维持稳定功率输出（图 4）。针对植入设备的低氧环境，氧富集电极提升了阴极的反应效率。EBFCs与超级电容器结合形成自充电系统，满足脉冲能量需求（图 5）。在自供电传感领域，EBFCs 通过代谢物浓度与输出信号的线性关系实现了无源检测（图 6）。研究还探索了 EBFCs 驱动药物控释的潜力，例如通过电化学调控导电聚合物层实现药物释放。

图4.i) 将吸湿排汗面料（MMF）融入运动服装的可穿戴织物基葡萄糖 BFC 示意图；ii) 和 iii) 分别为所制备的基于 MMF 的单电池和多堆叠燃料电池的照片

图5.i) 可贴于皮肤的电容式生物燃料电池示意图；ii) 该装置的充放电机制示意图

图6.i) 基于 BFC 的乳酸传感器分层结构示意图；ii) 乳酸传感器的照片

尽管纳米材料显著提升了 EBFCs 性能，其功率密度（通常为数十 μW/cm²至数 mW/cm²）与寿命（数周）仍需优化。未来研究需关注多功能纳米材料设计（如仿酶催化剂）、环境适应性（如耐洗涤电极）及生物相容性评估。多参数传感与逻辑门控药物释放系统的开发将拓展 EBFCs 在医疗中的应用。通过跨学科创新，EBFCs 有望成为生物电子设备的可持续能源核心。（来源：EngineeringJournals微信公众号）

相关论文信息：https://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-025-0992-6