可调控双重响应立体金杂化碳基酶电极及其可“开/关”燃料电池的性能

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51772248
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    61.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0208.无机非金属能量转换与存储材料
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Enzymatic biofuel cells (EBFC) with multi-responsive and switchable features are promising bio-powers for their potential application in implantable smart medical devices, which have attracted increasing attention due to its mild working conditions, high biocompatibility and high availability of stimuli in physiological environment. However, challenges still exist on the way to the commercialization of stimuli-responsive EBFC. For instance, introducing insulated stimuli-responsive polymers by drop casting or traditional radical polymerization on the surface of electrodes may significantly reduce the electrochemical performances of electrodes and the related EBFC. Another drawback of current stimuli-responsive electrodes is the insufficient stability and sensitivity for long-term running of the resulted EBFC. ..In this project, novel type of three-dimensional porous gold/carbon based dual-responsive enzymatic electrodes for “on-off” switchable biofuel cells are proposed. Firstly, porous gold hybrid three-dimensional macroporous foam graphene electrode (Au-MFG) is prepared by repeatedly co-electrodepositing gold/stannum and corroding stannum. The obtained Au-MFG is then surface modified to introduce an initiator for surface-initiated atom transfer radical copolymerization (ATRP) of temperature- and pH-responsive monomers to form dual-responsive copolymer-functionalized Au-MFG (SRCP-Au-MFG). The proposed ATRP process allow well-adjusting distribution and structure of responsive copolymer brushes, which is the key to combine precise control of on-demand stimuli-responses with high electric performance of the electrode. The complex of enzymes and multi-walled carbon nanotubes (En@MWNTs) is prepared through oriented immobilization of biotin-enzyme on streptavidin-modified functional carbon nanotube. The large-amount immobilization of En@MWNTs at the SRCP-Au-MFG electrode is performed by “static equilibrium-vacuum filtration-static equilibrium” interfacial assembly, which is expected to achieve higher enzymatic activity than that by traditional chemical immobilization and higher stability than that by physical immobilization. The relationship between the electrode with different hierarchical architectures and the electro-catalysis performances, stimuli-responsive property as well as the stability are then explored to optimize the resulted dual-responsive enzymatic electrodes and EBFC...The strategy in this project on precise regulation and control of the structure of switchable enzymatic electrodes and optimization of their electric and stimuli-responsive performances will prompt the further development of switch-on-demand biofuel cells and biocomputing responding to complex external signals.
可“开/关”型酶生物燃料电池(EBFC)是植入式医疗器械动力的首选。但EBFC存在功率密度低、稳定性差等问题;可“开/关”EBFC因电极表面存在响应性聚合物而使其电性能更差,“开/关”可控性有待提高。本项目利用分步循环共沉积、刻蚀法在泡沫石墨烯表面沉积立体网孔金,获得结构可控的金网孔碳杂化电极(Au-MFG);在该电极表面通过可控共聚(ATRP)温度与pH值刺激响应性单体,获得双重刺激响应共聚物刷电极(SRCP-Au-MFG);调控电极表面引发剂的分布、ATRP工艺、共聚物刷多级结构与形貌,调控电极电性能与双重刺激之响应行为;利用亲和素-生物素相互作用调制碳纳米管与酶的复合体(En@MWNTs)结构,调控En@MWNTs与SRCP-Au-MFG界面特殊组装方法,构筑载酶量高、刺激响应行为可调控的酶生物电极,探索电极物理、化学多层次结构与其各性能之关系,为可“开/关”BEFC的应用奠定基础。

结项摘要

可“开/关”型酶生物燃料电池(EBFC)是植入式医疗器械动力的首选,但其功率密度低、稳定性差,可“开/关”EBFC因电极表面存在响应性聚合物使其电性能更差、“开/关”可控性低等问题。..建立了动态模板循环电还原等策略构建珊瑚状立体网孔金杂化电极新方法,提高电极载酶量,改善其电子传导性;利用共价键合方法实现了酶交联聚集体在其上的定向固定,构筑了高效稳定酶电极。..建立了电极表面自由基聚合、表面活性原子转移自由基聚合、酶促自由基聚合制备聚合制备刺激响应酶电极方法,发现了铜促自由基聚合反应规律,实现了聚物刷在电极表面的分布、聚集状态及表面形貌的精确调控。..在柔性导电基底上构建了立体网孔导电电极基底,共价固定方法分别固定葡萄糖氧化酶及漆酶,组建了全酶燃料电池,其开路电压为0.58 V,最大输出功率为2.32 mW cm-2,经过1000次弯折后最大输出功率下降小于1 %。..本项目的研究为可“开/关”型酶生物燃料电池及可“开/关”型传感器的应用奠定了基础;项目设计的多重刺激响应性酶电极的构筑方法、电极表面功能化的方法等对相关领域的研究与应用也具有一定的借鉴价值。..发表学术论文14篇,SCI收录13篇;申请发明专利4件,获得授权1件。

项目成果

期刊论文数量(14)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(4)
Flexible glucose/oxygen enzymatic biofuel cells based on three-dimensional gold-coated nickel foam
基于三维镀金泡沫镍的柔性葡萄糖/氧酶生物燃料电池
  • DOI:
    10.1007/s10008-018-4099-4
  • 发表时间:
    2018-10
  • 期刊:
    Journal of Solid State Electrochemistry
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Hui Yuchen;Ma Xiaoyan;Qu Fengjin
  • 通讯作者:
    Qu Fengjin
A feasible electrochemical biosensor for determination of glucose based on Prussian blue – Enzyme aggregates cascade catalytic system
基于普鲁士蓝的可行的电化学生物传感器测定葡萄糖→酶聚集体级联催化系统
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Bioelectrochemistry
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Long Yan;Kunpeng Miao;Pengcheng Ma;Xiaoyan Ma;Ran Bi;Fang Chen
  • 通讯作者:
    Fang Chen
Asymmetric supercapacitors with high energy density and high specific capacitance based on Ni-Co-Mn multiphase metal structure MOF
基于Ni-Co-Mn多相金属结构MOF的高能量密度和高比电容非对称超级电容器
  • DOI:
    10.1007/s11581-021-04056-3
  • 发表时间:
    2021-05
  • 期刊:
    Ionics
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    Boyuan Zhang;Senyang Song;Wenyue Li;Lewen Zheng;Xiaoyan Ma
  • 通讯作者:
    Xiaoyan Ma
Morphologies of thienyl based bimetallic metal-organic frameworks controlled by solvents for high specific capacitance supercapacitor
高比电容超级电容器溶剂控制的噻吩基双金属金属有机骨架的形貌
  • DOI:
    10.1016/j.est.2021.103627
  • 发表时间:
    2021-11
  • 期刊:
    Journal of Energy Storage
  • 影响因子:
    9.4
  • 作者:
    Senyang Song;Xiaoyan Ma;Boyuan Zhang;Wenyue Li;Yusen Feng;Chenglong Tan
  • 通讯作者:
    Chenglong Tan
Three-Dimensional Nickel Foam Based Enzymatic Electrode and Its Glucose/O-2 Biofuel Cell with High Power Density
三维泡沫镍基酶电极及其高功率密度葡萄糖/O-2生物燃料电池
  • DOI:
    10.1149/2.0761713jes
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Journal of the Electrochemical Society
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Hui Yuchen;Ma Xiaoyan;Qu Fengjin;Chen Fang;Chen Ying
  • 通讯作者:
    Chen Ying

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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