《Advanced Science》：A Review on Catalytic Nanostructured Electrodes for Wearable and Implantable Abiotic Glucose Fuel Cells
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这篇综述系统评述了可穿戴与植入式无源（Abiotic）葡萄糖燃料电池（GFCs）的研究进展，聚焦于阳极葡萄糖氧化与阴极氧还原反应（ORR）的催化剂设计。文章指出，与生物/酶催化剂相比，无源催化剂在催化活性、稳定性、生物相容性及制造工艺上更具潜力，是实现微型化、低侵入性生物电子设备可持续供电的下一代电源方案。综述梳理了过渡金属、贵金属（如Pt, Au）及碳基纳米结构等关键电极材料，探讨了其性能、局限及未来研究方向。
慢性疾病与生物电子学：从负担到突破
慢性疾病如糖尿病和心脏病影响着数百万人，并给医疗系统带来沉重压力。在英国，超过580万人患有糖尿病，约760万人患有心脏和循环系统问题。由于人口增长和老龄化，这些发病率预计将急剧上升。对长期病症的有效管理变得至关重要，这需要定期监测和个性化、精准的治疗，而当前医疗模式难以持续满足这些需求。因此，人们越来越关注使用诸如葡萄糖监测仪、药物输送泵、起搏器和神经刺激器等设备，这些设备能够跟踪患者的健康状况，提供个性化医疗并实施靶向治疗。可穿戴和植入式生物电子学是直接与生物组织接口以进行传感、监测或治疗功能的电子系统，它们正在通过改善早期诊断、提高治疗依从性、减少频繁就医需求来改变医疗保健，最终降低医疗成本并提高患者和护理人员的生活质量。微型化、无线通信和生物相容性材料的进步扩展了生物电子学的能力，而与人工智能和数据分析的整合则提高了诊断准确性和临床价值。到2022年，全球可穿戴和植入式生物电子学市场估值分别达到270亿美元和220亿美元，预计到2030年这两个市场总额将达到1000亿美元。这些估值反映了生物电子学采用率的提高及其在现代医学中的关键作用。
可穿戴和植入式生物电子学需要电源才能工作，其功率需求可从几微瓦（μW）到几毫瓦（mW）不等。电子学和微型化的进步催生了超低功耗生物电子学。迄今为止，商业生物电子学由电池供电，这限制了它们可以植入体内的位置，因为电池存在体积和重量问题。此外，电池需要定期充电或更换，这可能涉及额外的手术。
电池替代方案包括无线能量传输和能量收集系统。原电池逐渐释放储存的能量，而可充电电池可以定期充电。根据其尺寸和化学成分，电池可以提供从几μW到几mW的功率，容量从用于微型植入物的几mAh到用于较大设备的几百mAh不等。然而，电池无法在不牺牲能量存储容量的情况下实现微型化。
无线能量传输技术，包括近场磁共振、射频（RF）传输、光伏转换和超声波传输，可经皮输送能量。它们可以直接为设备供电或为植入的储能元件充电，从而提高设备寿命并减少维护。近场系统，如电感耦合，已用于人工耳蜗植入体和起搏器，但需要精确的线圈对准。远场方法，如射频和超声波，可以在更远的距离传输能量。然而，射频受限于组织吸收和发热，而超声波虽然受影响较小，但仍会损失能量，并且存在安全和对准限制。可传输的功率量因技术而异：一些方法只能提供几μW，而其他方法可以提供高达几百mW。
能量收集系统从身体或环境中捕获能量。例如，来自呼吸和运动等活动的机械能可以通过压电和摩擦电纳米发电机转化为电能。其他选择包括基于湿度和电磁的发电机，尽管这些由于效率低和集成挑战而在实际应用中有限。热能收集器利用热电材料来利用身体与周围环境之间的温差。生化能量收集器，特别是葡萄糖燃料电池（GFCs），提供了从不断补充的内部燃料供应（葡萄糖）中获取持续能量的机会。与依赖波动的环境能源（如运动和热量）的机械或热收集系统相比，这一特性使GFCs更加稳定。GFCs可以是可穿戴的或可植入的，利用体液中的葡萄糖产生可持续的能量（通常在μW cm?2量级）。虽然功率输出低于大多数电池或无线系统，但对电极设计、催化剂化学以及与低功率电子器件集成的研究表明，GFCs是为生物电子设备供电的合适候选者。
葡萄糖燃料电池：分类与工作原理
在GFCs中，葡萄糖在阳极被氧化，释放电子和质子。阳极捕获的电子通过外部电路流向阴极，产生电能。在阴极，电子还原氧化剂（通常是氧气，发生氧还原反应，ORR），并与从阳极扩散而来的质子结合生成水。根据两个电极所用催化剂的类型，GFCs可分为三大类：微生物、酶促和无源。
微生物GFCs利用活微生物（纯培养物或共培养物）通过细胞内代谢途径将葡萄糖氧化为二氧化碳，在此过程中产生电子。生成的电子通过外膜细胞色素、介质扩散或导电纳米线直接或间接转移到阳极。能够进行细胞外电子转移的微生物被称为电活性物种，其中Geobacter、Shewanella和Pseudomonasspp. 是研究最广泛的。虽然阳极生物膜能够实现葡萄糖的完全氧化，但跨细胞膜的电子转移限制影响了微生物GFCs理论上可以产生的功率密度。因此，速率决定步骤是从微生物生物膜到阳极表面的电子转移，而不是葡萄糖代谢本身。关于生物相容性和系统复杂性的问题限制了微生物GFCs在医疗和植入式生物电子学应用中的适用性。因此，这类GFCs已被广泛研究用于非医疗应用，如废水处理和能源同步产生，功率密度高达3.6 W m?2，以及环境传感和自供电水质监测系统。微生物GFCs提供较长的功能寿命（数月到数年），因为产电生物膜可以自我再生。然而，它们的长期稳定性强烈依赖于生物膜的活力、营养供应以及受污染或竞争性微生物生长的易感性。
酶促GFCs使用酶（如葡萄糖氧化酶或葡萄糖脱氢酶）催化阳极的葡萄糖氧化，并使用漆酶或胆红素氧化酶催化阴极的ORR。在阳极，葡萄糖通常被氧化为葡萄糖酸内酯，释放两个电子。随后，葡萄糖酸内酯可能水解形成葡萄糖酸。虽然这种部分氧化产生的电子比完全氧化少，但它通常在生理葡萄糖浓度下提供足够稳定的电流输出，以在较长时间内（从几小时到几天，取决于系统设计）提供一致可靠的电能。在酶促GFCs中，速率决定步骤通常与从酶的还原氧化中心（例如FAD或PQQ辅因子）到阳极表面的电子转移有关。通常，阳极酶的活性位点埋在酶结构内部，这阻碍了直接电子转移。因此，需要使用介质和/或氧化还原聚合物将酶连接到电极。另一方面，在阴极，多铜氧化酶（如胆红素氧化酶或漆酶）含有四个铜中心，介导电子转移，从而实现高效的还原反应。尽管酶固定化、介质化学和电极结构方面的进展可以部分缓解阳极限制，但在生理条件下，电子连接仍然是酶促GFCs的主要动力学瓶颈。
据报道，酶促GFCs的功率密度通常在几μW cm?2到几十mW cm?2的范围内，其运行寿命受酶稳定性的限制。尽管酶促GFCs在体温和中性pH下运行，并受益于高度的生物选择性，但酶变性、失活、浸出和狭窄的操作窗口显著限制了它们的长期使用，将大多数应用限制在可穿戴设备而非植入式设备。例如，最先进的酶促系统仅表现出微弱的运行耐久性，有时在连续运行15小时内即使初始功率密度相对较高，也会出现显著的性能下降。
无源GFCs利用无机催化剂（如贵金属或其纳米结构复合材料）在没有酶的情况下催化葡萄糖氧化。在这些系统中，电子是通过催化剂表面上的吸附-氧化-脱附途径的表面介导电化学反应产生的。在碱性环境中，氢氧根离子促进葡萄糖氧化并减少能量损失。对于无源GFCs，速率决定步骤通常是阳极表面的葡萄糖氧化反应，特别是葡萄糖在电极催化位点的吸附和初始脱氢。最近的研究表明，在Au、Pt或合金基催化剂上，葡萄糖的活化和C-H键断裂在动力学上比后续的电子转移慢，从而控制了整体电流生成速率。因此，催化剂设计策略侧重于增加活性表面积和降低活化势垒以加速这一步骤。尽管使用了高活性催化剂，生理体液中较差的氧含量可能导致植入式无源GFCs阴极的氧还原反应速率受限。
与酶促GFCs一样，通常只发生部分氧化，释放2个电子。与酶促GFCs相比，无源系统可提供更优的长期稳定性，并且对温度、pH波动和化学抑制剂的敏感性更低。然而，在提高其选择性和确保生物相容性方面仍存在挑战。长期催化剂-组织相互作用、潜在的金属离子浸出、免疫反应和局部炎症仍然是需要仔细评估的关键问题。
材料科学和表面工程的进步，包括纳米结构催化剂和保护涂层的发展，有助于解决无源催化的局限性，增加了无源GFCs作为植入式生物医学设备可持续电源的可行性。总的来说，尽管在不同类型的GFCs中，无源GFCs产生的功率密度最低，但它们代表了为医疗设备供电最有希望的电池替代方案，提供了从体内天然丰富的燃料中获取持续电力供应的可能性，可能实现更小、更轻、更持久的可穿戴和植入式医疗系统。
无源葡萄糖电氧化的最新进展
葡萄糖的电化学氧化在无源燃料电池的性能中起着核心作用。该反应的效率取决于几个因素，包括催化剂的选择、电解质的pH（碱性介质通常增强反应）和葡萄糖浓度。因此，研究侧重于改善阳极催化剂的表面结构和电学性质，以加速葡萄糖氧化速率并增强选择性。尽管做出了这些努力，重要的挑战仍然存在，特别是在复杂的生物体液中，缓慢的电子转移、表面污染和其他分子的干扰会降低性能。
由于葡萄糖氧化是一种表面反应，其效率强烈依赖于催化剂的结构和界面特征，包括形状、形态、组成以及与葡萄糖和中间产物的相互作用。例如，最近对金（Au）、铂（Pt）和钯（Pd）等贵金属的研究侧重于调整其表面以增强催化性能。平坦表面通常缺乏足够的活性位点，限制了葡萄糖的吸附和产物的脱附。为了支持反应，表面必须允许分子有效附着和脱离，因此高密度的活性位点至关重要。因此，开发具有更大表面积和更多活性位点的纳米结构贵金属材料已成为主要的研究重点，以克服块体金属的局限性，并为葡萄糖氧化提供更有效和可靠的系统。除了优化阳极催化剂的形态、组成和表面结构以增强催化活性外，研究还侧重于实际燃料电池应用的耐久性和成本。贵金属的高成本和有限供应鼓励了寻找替代的、地球储量丰富的催化剂，这些催化剂可以在不依赖稀有材料的情况下提供相似的性能。
在2007年至2025年的GFC研究中，不同阳极材料的使用随着时间的推移稳步增加。在早期（2007-2012年），贵金属明显占主导地位，每年约占报告阳极材料的70%-100%，其中Pt基和Au基催化剂使用最广泛。这反映了早期尽管这些材料成本高昂，但仍专注于实现高催化活性。从2013年起，观察到阳极材料显著多样化。在此期间，贵金属的贡献下降到通常占年度研究的30%-50%，而碳基材料增加到约40%-55%，通常单独使用或与贵金属结合使用。这种转变表明，人们越来越努力改善表面积、导电性和长期稳定性，同时减少对昂贵贵金属的依赖。与此同时，非贵金属和金属氧化物基阳极在2013年之后变得更加普遍，在某些年份（例如2019-2021年）占研究的30%-50%。这一趋势凸显了对开发更具经济可行性的催化剂系统的兴趣日益增长。近年来（2020-2025年），研究报告数量最多，碳基和贵金属/碳混合阳极合计约占报告材料的60%-80%。这些系统通常采用结构化、多孔或复合结构，反映了向平衡活性、稳定性和成本的先进多功能催化剂发展的日益增长趋势。总体而言，这一发展证明了该领域随着时间的推移，从主要使用贵金属阳极向更复杂的混合和碳负载催化剂系统的转变。
过渡金属及其氧化物
过渡金属如镍（Ni）、钴（Co）和铜（Cu）由于其独特的氧化还原特性和催化潜力，已成为非酶促葡萄糖氧化的候选材料。这些金属及其相应的氧化物，如NiO、CoO和Cu2O，因其高导电性、广泛可用性以及促进有效电子转移的能力而被广泛研究用于GFCs。它们的电化学活性很大程度上归因于其可变的氧化态，这使得氧化还原循环对催化反应至关重要。例如，镍基电极利用Ni(OH)2/NiOOH氧化还原对有效催化葡萄糖氧化。最近的机理研究表明，过渡金属及其氧化物主要通过表面介导的脱氢机制氧化葡萄糖，该机制由金属氧化还原循环、氧活化和强的结构-性质相关性支持。例如，NiO和铁基氧化物通过表面脱氢机制起作用，其中葡萄糖吸附在路易斯酸性金属中心，C1处的脱氢生成葡萄糖-δ-内酯，然后水解成葡萄糖酸。过渡金属氧化物，特别是CuO，具有优异的化学稳定性和高表面活性位点密度的额外优势，这两者都增强了催化过程中的电荷转移。
提高过渡金属催化性能的有效策略是合金化（例如Co-Ni、Cu-Ni或Co-Cu-Ni），这可以导致增强的电催化活性、改善的抗表面中毒能力和在氧化条件下更好的稳定性。这些双金属和三元合金能够微调电子结构，并可以增加催化活性位点的数量。例如，在Co基电极中加入Ni已在GFCs中展示出高功率密度（～29 W m?2），对葡萄糖氧化表现出优异的选择性和灵敏度。过渡金属合金在生物传感器应用中也显示出前景，在灵敏度和选择性方面经常优于其单金属对应物。
然而，尽管有这些优势，但仍存在限制，阻碍了过渡金属及其氧化物在能量转换系统中的更广泛应用。例如，Ni基电极具有高灵敏度，但通常受到选择性差、生物样品中其他物种的干扰以及在富氧环境中稳定性降低的限制。此外，某些过渡金属基催化剂的制备，特别是那些涉及合金化或复杂纳米结构制造方法的催化剂，可能耗时、技术要求高且昂贵。此外，尽管氧化物如CoO具有成本效益且化学稳定，但其相对简单的电子结构和有限的活性位点数量阻碍了其独立的催化性能。因此，虽然过渡金属及其氧化物为葡萄糖氧化催化剂的发展提供了坚实的基础，但它们也并非没有缺点。
贵金属
金属氧化物在葡萄糖电氧化方面的局限性促使研究人员重新考虑使用贵金属，贵金属具有在各种介质中的耐腐蚀性、优异的催化性能、高导电性以及促进多电子转移反应的能力。贵金属的纳米结构模拟酶葡萄糖氧化酶，并通过两步途径氧化葡萄糖，涉及葡萄糖在金属纳米颗粒表面的脱氢以及随后O2还原为H2O2（Au纳米颗粒）或H2O（Pt、Pd、Ru、Rh和Ir纳米颗粒）。
Pt是葡萄糖电氧化研究中研究最广泛的贵金属之一，因为其活性表面位点密度高，并且对葡萄糖及其中间体具有很强的吸附亲和力。在酸性和中性环境中，Pt基阳极可以促进葡萄糖的脱氢，并通过多种反应途径促进氧化。在GFC应用中，Pt不仅支持快速的反应动力学，而且还提供优异的导电性和机械强度。然而，Pt的一个众所周知的局限性是容易受到强吸附中间体（如CO或葡萄糖酸内酯）的中毒，这些中间体会阻塞活性位点并随着时间的推移降低催化效率。
可以通过将Pt与其他金属合金化或将Pt嵌入导电多孔材料中来提高性能，以增加可及性和稳定性。例如，通过氢模板电沉积法合成了高度多孔的PtNi纳米合金，与单金属Pt相比，其具有更大的电化学活性表面积和更高的长期稳定性。同样，通过一步还原法制备了Pt纳米花，在生理条件下实现了～14 μW cm?2的功率密度和～819 mV的开路电压（OCV）。复合纳米结构，例如负载在NiO功能化碳棒上的Pt，已被提出用于增强葡萄糖的氧化反应，从而在具有葡萄糖灵敏度的同时，实现了1618 μW cm?2的显著高功率密度。使用结构化碳材料负载Pt纳米颗粒也被提出用于改善催化剂分散和氧耐受性。例如，当10%的Pt沉积在ZIF-8衍生的氮掺杂多孔碳上时，获得了稳定的催化剂（300次循环后性能仅下降7.83%），在双室GFC中产生了0.54 μW cm?2的功率密度。类似地，Pt-Pd合金通过利用双重氧化途径和抑制中毒，提高了催化效率和燃料电池性能，达到～28 μW cm?2。对于植入式应用，一种Pt/还原氧化石墨烯催化剂在模拟血流下表现出15小时的电压稳定性。此外，使用Pt/Au纳米合金作为阳极催化剂，在中性pH条件下实现了0.32 mW cm?2的功率密度和2.67 mA cm?2的短路电流密度。最近，Niyazi等人用Pt纳米颗粒装饰聚苯胺涂层，用于金纳米结构，以创建稳健的纳米复合电极，产生了61.7 μW cm?2的功率输出。
Au是无源GFCs中另一种有前途的催化剂，因为它具有高稳定性、生物相容性以及优异的耐腐蚀性和抗葡萄糖氧化中间体（如CO类物质）中毒的能力。尽管其在酸性介质中的催化活性通常低于Pt，但在生物系统常用的碱性或中性条件下，金的性能明显更好。这种改进的性能与碱性环境中表面金氢氧化物物种的形成密切相关，这些物种充当葡萄糖吸附和后续氧化的活性中心。金在各种纳米结构或多孔形式中的应用通过提供高表面积和有效的电子传输途径进一步增强了其催化活性。与Pt相比，金纳米结构的一个关键优势是对中间体物种的抵抗力，这有助于保持电化学活性。
Chu等人报道了一种使用纳米/微米混合结构Au阳极的高性能GFC，在pH 14、1.0 M NaOH和0.5 M葡萄糖的条件下，实现了10.7 mW cm?2的功率密度、29.5 mA cm?2的电流密度和52.47%的能量效率。用Au纳米棒和Au纳米颗粒的组合对阳极进行纳米结构化处理，实现了822 μW cm?2的最大功率密度和0.8 V的开路电压。Ghanam等人在碳纳米管修饰电极上引入了PdAu纳米结构，在0.35 V电压下产生129 μW cm?2的功率密度，强调了Au和Pd在增强催化响应方面的协同效应。同样，使用纳米半球阵列上的Au纳米颗粒实现了2 mW cm?2的功率密度，强化了结构化Au表面对葡萄糖氧化的实用性。此外，据报道，一种微流体纸基无源燃料电池，包含纳米级金，在410 mV下产生12.5 μW cm?2的功率，输出功率比类似传统设计高50%。
混合和合金化Au催化剂也已被探索。实例包括产生0.32 mW cm?2功率密度（0.42 V时）的Pt/Au纳米合金，以及产生10.1 mA cm?2电流密度的AuPtPd纳米合金。Au在复合系统中的有益作用进一步显现。例如
