研究背景

電池的本質是正負極和電解液界面的電化學反應，通常應用于能量的轉化和存儲。那么作為一個擁有豐富電化學反應的平臺，電池是否可以具有更廣泛的應用？近日，利用氧氣在電池反應中的重要作用，復旦大學化學系夏永姚教授團隊、張凡教授團隊合作設計了可植入的自充電鹽水電池用于腫瘤微環境的長效乏氧調控和抗腫瘤研究，為腫瘤抑制和調控腫瘤微環境提供了一種潛在的途徑。 研究成果以“A self-charging salt water battery for antitumor therapy”為題發表于Science Advances。本文第一作者為復旦大學化學系博士后黃健航(現為浙江師范大學特聘教授)和博士生于朋，通訊作者為復旦大學化學系夏永姚教授和張凡教授。

研究亮點

設計了以生理鹽水為電解液的生物相容性自充電電池，展現出色的實體瘤治療效果。 生理鹽水中優異的放電/自充電循環穩定性。

采用酚酞為指示劑，可視化質子存儲/釋放過程。

圖文導讀

圖1.自充電鹽水電池用于腫瘤治療的基本原理.

(A)自充電電池抑制實體瘤的機制，(B)電池結構，(C)電池的不同小型化策略。

▲設計的可植入鹽水電池正極在自充電過程中消耗氧氣，該過程中產生活性氧(ROS)以及造成乏氧環境，結合乏氧激活前藥(HAPs)，展現出優異的腫瘤治療效果。另外，設計了多種不同結構的電池(圖1C)，層狀電池的制備工藝簡單，同時具有較好的可塑性，被選擇用來驗證電池的抗腫瘤性能。

圖2.自充電鹽水電池耗氧過程的氧化還原機理及表征.

(A)放電/自充電反應及過程示意圖，(B)電池在硫酸鋅溶液中的CV圖，(C)電池在硫酸鋅溶液中的自充電曲線，(D)在生理鹽水中的放電/自充電曲線，(E)在生理鹽水中的循環穩定性，及和在硫酸鋅中的對比，(F)不同電流下電池的放電曲線，及耗氧能力, (G)在空氣環境中(氧存在下)的可視化耗氧過程，(H)氮氣保護下質子的存儲/釋放過程，(I)溶解氧的測定裝置示意圖，(J)溶解氧的含量變化曲線。

▲電池的正極為聚1,4,5,8-萘四甲酸酐(PNTCDA)，是一種聚酰亞胺，具有良好的生物兼容性，負極為鋅金屬。電池在放電過程中，含有碳基的PNTCDA被還原為酚羥基化合物PNTCDA-H；PNTCDA-H容易被氧化回PNTCDA，同時氧氣被還原，該過程即為化學自充電過程。在氧氣的參與下，電池的放電/自充電過程能夠不斷循環(圖2A)。由于PNTCDA在電化學還原/化學氧化循環過程中只涉及質子和少量其他離子(如鋅離子或鈉離子)的存儲/釋放，不會破壞有機物骨架，因此放電/自充電循環過程穩定性高。相對于傳統的硫酸鋅電解液，PNTCDA‖Zn電池在生理鹽水電解液中的自充電過程更快，展現出更優異的耗氧能力(圖2C,D,E)。由于放電過程中氧氣的不斷自充電，電池可以持續放電>500 h(圖2F)，達到持續耗氧的作用。PNTCDA的充放電機制主要涉及質子的存儲和釋放，因此，在生理鹽水電解液中，質子的存儲(電化學放電過程)導致電極周圍電解液pH值得升高，而質子得釋放過程(電化學充電過程)使pH回復中性，因此該pH的變化可以用酚酞指示劑來進行可視化監測：無氧環境中，放電過程中電極周圍電解液變紅，表面pH上升，充電過程中又變回無色，表明pH下降(圖2H)。而在有氧環境中持續放電時，由于氧氣不斷被還原，電解液的pH持續升高，因此電解液會持續變紅(圖2G)。

圖3. 自充電鹽水電池維持腫瘤長期缺氧以增效抗腫瘤治療.

(A)體內抗腫瘤實驗流程圖，(B)植入電池一天后腫瘤組織的乏氧染色，(C)腫瘤組織ROS染色，(D)腫瘤組織H&E染色，(E) 瘤內血紅蛋白結合氧飽和度在對照組及電池植入不同時間后的光聲圖像，及(F)相應的定量統計結果, (G)植入電池7天和14天后腫瘤組織的乏氧染色，及其(H)熒光強度定量統計結果，(I)不同組的腫瘤體積變化，(J) 不同組的腫瘤質量變化，(K)自充電電池聯合TPZ治療的機理示意圖，(L) 體內腫瘤預防實驗流程圖，(M)腫瘤的體積變化，(N)第14天時對照組及電池組的腫瘤質量。

▲最后開展了體內抗腫瘤實驗。由于鹽水電池的形態可塑性，該鹽水電池可以皮下植入到4T1腫瘤表面，荷瘤小鼠瘤內血紅蛋白結合氧飽和度(sO2)在植入14天后下降至1.9%。結合乏氧激活前藥，80%的荷瘤小鼠腫瘤完全消失，整體腫瘤抑制率超過90%，且單獨的鹽水電池可通過產生ROS實現約74%的腫瘤抑制率和100%的預防腫瘤生成率。治療過程中小鼠的體重、電池接觸的皮膚及正常臟器均無異常變化，表明電池具有較好的生物相容性和安全性。

研究結論

該工作設計了具有長循環穩定性的PNTCDA‖Zn自充電電池，在生理鹽水中展現出優異的循環性能。該鹽水電池的正極氧化還原過程中產生的活性氧(ROS)可直接殺傷腫瘤細胞，顯示出100%的預防腫瘤生成率；同時，氧氣在放電/自充電循環中被持續消耗，從而維持腫瘤長期(≥14天)且充分的乏氧微環境(氧含量<2%)。結合乏氧激活前藥，該鹽水電池可消除80%荷瘤小鼠中的腫瘤，抗腫瘤效率>90%。電化學電池中的氧化還原反應為腫瘤抑制和調控腫瘤微環境提供了一種潛在的途徑，同時，該工作也為電池這個擁有豐富電化學反應的平臺，提供了更廣闊的應用方向。

審核編輯 ：李倩