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Nov 06, 2023

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Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14649 (2022) Citer cet article

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Dans cette étude, les performances d'une biopile à base de papier sérigraphiée avec des électrodes mésoporeuses en carbone MgO (MgOC) ont été améliorées en deux étapes. Tout d'abord, une petite quantité de carboxyméthylcellulose (CMC) a été ajoutée à l'encre MgOC. Ensuite, la cathode a été modifiée avec de la bilirubine avant d'immobiliser la bilirubine oxydase (BOD). Le CMC a augmenté l'accessibilité des mésopores du MgOC, et par la suite, les performances de la bioanode et de la biocathode. Le CMC a également probablement augmenté la stabilité des électrodes. La pré-modification avec la bilirubine a amélioré l'orientation de la DBO, ce qui a facilité le transfert direct d'électrons. Avec ces deux étapes, un potentiel de circuit ouvert de 0,65 V, une densité de courant maximale de 1,94 mA cm-2 et une densité de puissance maximale de 465 μW cm-2 ont été atteints avec la lactate oxydase comme enzyme bioanode et le lactate comme carburant. C'est l'une des performances les plus élevées rapportées pour une biopile.

Les matériaux carbonés mésoporeux sont l'un des matériaux les plus attrayants pour la fabrication de dispositifs bioélectrochimiques tels que les biocapteurs et les biopiles1,2,3. Ces matériaux combinent une conductivité élevée, une grande surface et une excellente biocompatibilité, ils sont excellents pour les électrodes et les matrices pour l'immobilisation d'enzymes. Yang et al. ont rapporté une augmentation de la température et de la stabilité du pH lorsque la glucose oxydase était immobilisée sur du carbone mésoporeux ordonné4. Parmi les différents types de matériaux carbonés mésoporeux figurent les carbones à matrice d'oxyde. La taille des pores des carbones à matrice d'oxyde peut être contrôlée en contrôlant la taille de la matrice d'oxyde5,6,7,8,9. Un tel carbone à matrice d'oxyde est le carbone à matrice MgO (MgOC), qui est disponible dans le commerce5,6. L'effet de la taille des pores du MgOC sur l'électrochimie directe a été étudié pour la D-fructose déshydrogénase10 et la bilirubine oxydase (DBO)11,12. De plus, les biopiles (BFC) fabriquées avec un tissu de carbone modifié à l'encre MgOC avaient une puissance de sortie élevée de 2 mW cm-213 et 4,3 mW cm-214 avec la glucose déshydrogénase (GDH) et la lactate oxydase (LOx) comme enzymes, respectivement.

Une encre MgOC est également la première étape dans la fabrication d'une électrode MgOC sérigraphiée. Le matériau carboné conducteur dans les encres de sérigraphie doit être dispersé uniformément sous une contrainte de cisaillement appliquée pendant l'impression. Une dispersion inégale peut conduire à une électrode partiellement cassante (où trop peu de liant est présent) et/ou une résistance partiellement augmentée (où trop de liant est présent). Une dispersion plus élevée peut également conduire à un degré de porosité plus élevé, car l'agglutination devient moins probable. De petites quantités d'additifs peuvent améliorer la dispersion de l'encre sans interférer avec la conductivité, et donc la qualité et la reproductibilité de l'électrode imprimée. Cependant, bien que des matériaux biocompatibles et durables, tels que la carboxyméthylcellulose (CMC), aient été utilisés comme dispersants pour les matériaux carbonés15, les dispersants n'ont pas été envisagés pour les encres MgOC pour la sérigraphie.

Les électrodes sérigraphiées sont prometteuses pour la fabrication de biocapteurs portables, en particulier pour les applications de soins de santé16,17,18. Les biocapteurs portables font l'objet d'une attention particulière ces dernières années en raison de la tendance à une gestion des soins de santé plus personnalisée et en temps réel des patients, ainsi qu'à une surveillance plus étroite et plus axée sur les données de la condition physique des professionnels de haut niveau, tels que les athlètes. et pompiers. De même, les BFC portables reçoivent également une attention considérable, à la fois en tant que récupérateurs d'énergie et capteurs auto-alimentés19,20,21,22. En tant que récupérateurs d'énergie, les BFC portables collectent l'énergie du glucose ou du lactate contenu dans les fluides corporels pour alimenter de petits appareils. Les BFC portables en tant que capteurs auto-alimentés utilisent le fait que la puissance collectée à partir du glucose ou du lactate dépend à tout moment de la concentration du carburant respectif. Les capteurs auto-alimentés ne nécessitent pas de source d'énergie pour le dispositif de détection. Quelques exemples de biocapteurs portables et de BFC sont intégrés dans la plaquette nasale des lunettes23, la microfluidique fabriquée à partir d'un matériau souple24,25, fabriquée sur un film mince et flexible25,26, de type tatouage27, à base de textile28,29 et à base de papier30,31 ,32.

Les appareils à base de papier intègrent également l'effet de mèche du papier et peuvent fonctionner avec de petits volumes d'échantillons. del Torno-de Román et al. ont utilisé du papier comme système d'alimentation en carburant et ont atteint une densité de puissance allant jusqu'à 37,5 μW cm−2 avec 5 mM de glucose33. Lau et al. utilisé du papier filtre pour l'alimentation en carburant et du papier en fibre de carbone ou en nanotubes de carbone pour les bioélectrodes et atteint une densité de puissance de 35,5 μW cm−2 avec une oxydation à 4 électrons de type cascade de l'éthanol et de 26,9 μW cm−2 avec du formiate, du formaldéhyde et du méthanol comme carburant et trois enzymes en cascade34. Rewatkar et al. ont également utilisé du papier filtre pour l'alimentation en carburant et du papier à base de nanotubes de carbone à parois multiples pour les bioélectrodes et ont atteint une densité de puissance de 46,4 μW cm-2 avec 30 mM de glucose comme carburant dans une configuration en série à 4 cellules35.

Notre groupe a développé plusieurs BFC avec des électrodes directement imprimées sur du papier japonais. En utilisant du Ketjenblack comme matériau d'électrode et de la glucose oxydase comme anode-enzyme, nous avons atteint une densité de puissance de 0,12 mW cm−236. En utilisant le MgOC comme matériau d'électrode et la lactate oxydase (LOx) comme enzyme, nous avons atteint une densité de puissance de 0,113 mW cm-231. En utilisant la GDH comme enzyme et en améliorant l'immobilisation, nous avons atteint une densité de puissance de 0,12 mW cm-232. Ces études ont porté principalement sur les performances de l'anode. Cependant, avec une anode performante, l'accent doit être mis sur l'amélioration de la cathode, en particulier dans le cas des biocapteurs auto-alimentés, dont les performances doivent être limitées par l'anode.

Une enzyme populaire pour la construction de biocathode est la bilirubine oxydase (BOD). L'un des avantages de cette enzyme est sa capacité de transfert direct d'électrons (DET)37,38,39. Comme avec toutes les électrodes enzymatiques de type DET, l'orientation de l'enzyme sur la surface de l'électrode est cruciale. Par rapport à une surface plane, une structure de surface mésoporeuse augmente les chances que le site actif d'une enzyme orientée au hasard soit à une distance DET40 ; une orientation dirigée augmenterait les performances d'une biocathode de type DET. Lalaoui et al. ont réalisé une immobilisation ordonnée de la DBO sur des nanotubes de carbone en utilisant la protoporphyrine IX comme "guide" pour lier l'enzyme41. Al-Lolage et al. ont conçu la DBO pour avoir de la cystéine sur un site spécifique et ont utilisé cette cystéine pour une immobilisation covalente dirigée42.

Dans cette étude, nous avons utilisé deux approches pour améliorer les performances des biopiles à base de papier sérigraphiées, en particulier la biocathode. Nous avons considéré l'ajout de carboxyméthylcellulose (CMC) comme dispersant à l'encre MgOC et étudié son effet rhéologique. En nous concentrant sur la biocathode, nous avons considéré la bilirubine comme un "guide" pour immobiliser la DBO de manière orientée.

Les matériaux suivants ont été utilisés dans l'expérience : MgOC avec différentes tailles de pores moyennes (CNovel™, Toyo Tanso, Japon ; Remarque : Matériel supplémentaire Fig. S1), copolymère d'hexafluoropropylène et de difluorure de polyvinylidène (PVdF ; polymère KF L#9305, 5 % dans du NMP , Kureha Corporation Japon), 1-méthylpyrrolidin-2-one (NMP, Wako Pure Chemical Industries, Japon), CMC (SLD-F1, Nippon Paper Industries, Japon), papier japonais (Izumo Tokusengasenshi, Japon), agent hydrofuge (Hajikkusu, Komensu, Japon), encre de carbone (JELCOM CH-10, Jujo Chemicals, Japon), 1,2-Naphtoquinone (1,2-NQ, Kanto Chemical, Japon), DBO de Myrothecium verrucaria (BO "Amano" 3 , Amano Enzyme Inc., Japon) et LOx, dérivé d'Enterococcus faecium et préparé par recombinaison comme indiqué précédemment14.

Tous les autres produits chimiques étaient de qualité analytique.

L'encre MgOC a été préparée en dispersant du MgOC et du PVdF (liant ; 5 à 6 ml/1 g de MgOC) dans du NMP (solvant ; 2,5 ml/1 g de MgOC) jusqu'à l'obtention d'une pâte lisse. Pour les encres contenant du CMC, du PVdF, du NMP et du CMC (0,027 g/1 g de MgOC) ont été pré-mélangés soigneusement avant d'ajouter le MgOC.

Les électrodes pour la biopile à base de papier ont été fabriquées de manière similaire à une méthode précédemment rapportée31. Du papier japonais a été traité avec un agent hydrofuge et laissé sécher à température ambiante pendant 12 h. Ensuite, les collecteurs de courant ont été sérigraphiés en 5 couches à l'aide d'encre au carbone avec une sérigraphie LS-150TV (Newlong Seimitsu Kogyo Co. Ltd., Tokyo, Japon) et séchés à 120 ° C pendant 12 h. Les collecteurs de courant pour biocathodes comportaient 100 trous de 0,5 mm de diamètre pour faciliter l'apport d'oxygène31. Enfin, 2 couches ont été imprimées à l'aide d'encre MgOC pour former les électrodes, qui ont été laissées sécher à température ambiante pendant 2 jours. La taille de l'électrode était de 2,0 × 0,5 cm pour la bioanode et la biocathode.

Les électrodes ont été modifiées pour former des bioanodes et des biocathodes similaires à une méthode précédemment rapportée31. Après traitement avec de l'ozone UV pendant 15 min, la bioanode a été modifiée en appliquant 20 μL de 1,2-NQ 100 mM dans de l'acétonitrile et séchée pendant 1 h. 20 μL contenant 40 U LOx dans un tampon phosphate 10 mM ont été appliqués et l'électrode a été séchée sous pression réduite pendant 1,5 h. Après un traitement UV à l'ozone pendant 15 min, la biocathode a été modifiée en appliquant 20 μL contenant 5 U BOD dans un tampon phosphate 10 mM et séchée pendant 1,5 h sous pression réduite. Si indiqué, avant la modification avec la DBO, 20 μL d'une solution de bilirubine 0–20 mM dans NaOH 20 mM ont été appliqués sur l'électrode et séchés pendant 1,5 h sous pression réduite ; NaOH était nécessaire pour dissoudre la bilirubine.

La dispersion des contraintes des encres MgOC a été évaluée à l'aide d'un rhéomètre (MCR 102, Anton Paar, Japon) à une fréquence angulaire de 1,0 rad s−1, une plage de contraintes de cisaillement de 10–5–10 % et une température de 25 °C .

La bioanode et la biocathode ont été évaluées individuellement dans des systèmes à trois électrodes avec un fil de platine comme contre-électrode et une électrode Ag/AgCl/KCl saturé comme référence. La voltamétrie cyclique a été réalisée avec un tampon phosphate 1 M comme électrolyte contenant 100 mM de lactate pour la bioanode. La vitesse de balayage était de 10 mV s−1 et la plage de potentiel de 0,5 à 0,7 V pour la bioanode et de 0,7 à 0,2 V pour la biocathode. La chronoampérométrie a été réalisée à un potentiel de fonctionnement de 0,3 V avec un temps de mesure de 2000 s. Les biopiles ont été évaluées par voltamétrie à balayage linéaire dans un environnement contrôlé avec une température de 36 °C et une humidité de 70 %.

Pour étudier la CMC en tant qu'additif pour les encres MgOC, les propriétés viscoélastiques des encres avec et sans CMC ont été caractérisées en appliquant une contrainte de cisaillement (Fig. 1). Lorsque la CMC a été ajoutée à l'encre, le point de croisement des modules de stockage et de perte s'est déplacé vers une valeur de contrainte de cisaillement plus élevée (7,9 × 10–3 % sans CMC et 2,1 × 10–2 % avec CMC ; Fig. 1). Le module de stockage représente la composante élastique de la viscoélasticité, tandis que le module de perte représente la composante visqueuse. Par conséquent, les résultats montrent que les deux encres sont visqueuses à faible cisaillement et deviennent plus fluides à fort cisaillement (Fig. 1). L'encre contenant du CMC était plus stable à une contrainte de cisaillement plus élevée, indiquant une meilleure dispersion (Fig. 1). Étant donné que l'encre est exposée à une contrainte de cisaillement pendant le processus d'impression, ces caractéristiques sont bénéfiques pour la sérigraphie et devraient conduire à des électrodes plus uniformes.

Module de stockage et de perte des encres MgOC avec ou sans CMC en fonction de la contrainte de cisaillement. Fréquence angulaire : 1,0 rad s−1 ; température 25 °C. Cercles : module de conservation (G') ; triangles : module de perte (G'') ; vert : encre MgOC contenant du CMC ; violet : encre MgOC sans CMC.

Ensuite, les encres MgOC avec et sans CMC ont été imprimées sur des électrodes, qui ont été fabriquées, modifiées et caractérisées électrochimiquement (Figs. 2, 3, 4). Les voltammogrammes cycliques des biocathodes et des bioanodes individuelles ont montré une séparation des pics légèrement plus étroite lorsque des électrodes imprimées avec de l'encre MgOC contenant du CMC ont été utilisées (Fig. 2). Les mesures chronoampérométriques ont montré une nette augmentation du courant de réduction et d'oxydation pour la biocathode et la bioanode, respectivement (Fig. 3). Ces résultats suggèrent que l'ajout de CMC à l'encre réduit l'énergie nécessaire pour conduire la réaction (énergies en termes absolus dans les directions de réduction et d'oxydation, respectivement, pour la biocathode et la bioanode). Les courants de voltamétrie cyclique similaires suggèrent que les courants de réponse sont similaires en l'absence ou en présence de CMC, lorsqu'une énergie suffisante pour entraîner la réaction est appliquée (Fig. 2). La séparation des pics plus étroite suggère que la réaction se déroule à pleine capacité à une énergie inférieure lorsque la CMC est ajoutée à l'encre (Fig. 2). Les résultats chronoampérométriques confirment cette notion : énergie modérée appliquée à 0,3 V versus Ag/AgCl/sat. Le KCl semble conduire à un turnover à pleine capacité lorsque la CMC est ajoutée à l'encre, alors qu'il est insuffisant pour le faire sans CMC (Fig. 3).

Voltammogrammes cycliques de (a) biocathodes et (b) bioanodes, fabriqués à l'aide d'encres MgOC avec et sans CMC. Vitesse de balayage : 10 mV s-1 ; tampon phosphate 1 M, pH 7,0; (b) 100 mM de lactate. Enzyme biocathode : DBO ; enzyme bioanode : LOx ; médiateur bioanode 1,2-NQ. Vert : avec CMC ; violet : sans CMC.

Évaluation électrochimique de (a) biocathodes et (b) bioanodes fabriquées à l'aide d'encres MgOC avec et sans CMC. tampon phosphate 1 M, pH 7,0; 0,3 V vs Ag/AgCl/sat. KCl; température ambiante. (b) 100 mM de lactate. (a) DBO ; (b) LOx, 1,2-NQ. Vert : avec CMC ; violet : sans CMC.

Évaluation électrochimique de biopiles fabriquées à l'aide d'encres MgOC avec et sans CMC. tampon phosphate 1 M, pH 7,0; lactate 100 mM; humidité 70%; température 36 ºC. Enzyme biocathode : DBO ; enzyme bioanode : LOx ; médiateur bioanode 1,2-NQ. Vert : avec CMC ; violet : sans CMC ; droite : densité de puissance ; ligne pointillée : densité de courant.

Lorsqu'elles sont combinées dans une biopile, la densité de courant maximale a doublé, passant de 0,35 mA/cm2 lorsque les électrodes étaient fabriquées sans CMC à 0,79 mA cm−2 lorsqu'elles étaient fabriquées avec CMC (Fig. 4). La densité de puissance maximale a augmenté de plus de 2,5 fois de 92 à 249 μW cm-2 en ajoutant du CMC à l'encre MgOC.

Bien que les mesures rhéologiques aient indiqué que l'ajout de CMC à l'encre MgOC pourrait être bénéfique pour la sérigraphie, la différence n'explique pas cette augmentation drastique des performances. De plus, la CMC est hautement hygroscopique et peut améliorer la stabilité des enzymes43. L'hygroscopicité peut faciliter l'apport de carburant à l'enzyme et l'effet stabilisant pourrait empêcher la perte d'activité enzymatique pendant le processus d'immobilisation. Ces deux propriétés ont le potentiel d'augmenter les performances des électrodes enzymatiques résultantes et peuvent expliquer l'augmentation drastique des performances de la biopile.

Le procédé d'immobilisation utilisé dans cette étude implique une étape de séchage sous pression réduite. Une telle procédure peut entraîner une déshydratation de l'enzyme et donc une dénaturation et une perte d'activité44,45,46. Les glucides sont connus pour empêcher la dénaturation due à la déshydratation en retenant certaines molécules d'eau et en remplaçant les liaisons hydrogène protéines-eau par des liaisons hydrogène protéines-glucides44,45,46. Par conséquent, la présence de CMC dans l'encre pourrait conduire à ce que davantage de molécules d'enzymes restent actives sur la surface du carbone. L'enzyme dénaturée sur la surface de l'électrode peut interférer avec l'efficacité du transfert d'électrons entre l'enzyme et l'électrode ou le médiateur et l'électrode, ce qui pourrait augmenter l'énergie nécessaire pour entraîner la réaction de l'électrode.

L'hygroscopicité, en particulier, semble avoir un effet particulier sur les performances de la bioélectrode. Un additif hygroscopique permet à l'eau d'accéder aux pores de l'électrode pendant le processus d'immobilisation, transportant plus d'enzyme plus profondément dans les pores de l'électrode, et pendant le fonctionnement de l'appareil, où l'eau est essentielle pour la réaction enzymatique, alors qu'elle transporte le carburant plus profondément dans le pores dans le cas de la bioanode. L'apport accru d'eau aux pores pourrait être une raison de la faible énergie nécessaire pour conduire la réaction, comme observé électrochimiquement (Figs. 2, 3, 4). Cependant, la biocathode fonctionne moins bien lorsque la CMC est utilisée comme liant plutôt que comme additif par rapport aux biocathodes fabriquées avec du PVdF hydrophobe comme liant (matériel supplémentaire Fig. S2), ce qui suggère que l'hydrophobicité est nécessaire à la performance et est probablement attribuable à une teneur en oxygène plus élevée. fournir.

Pour améliorer encore les performances de la biocathode, la BOD a été immobilisée sur le MgOC dans une orientation favorable au DET. Pendant le DET, l'électrode prend le relais de la bilirubine en fournissant des électrons. Ainsi, une orientation dans laquelle le site de liaison à la bilirubine de la BOD fait face à l'électrode devrait être favorable au DET. Pour obtenir cette orientation, la bilirubine a d'abord été immobilisée sur MgOC, suivie de BOD. Les mécanismes possibles suivants sont associés à l'immobilisation de la BOD : (a) la BOD ne se lie pas à la bilirubine ou se lie dans une orientation défavorable ; (b) la BOD se lie également à la bilirubine et à la surface du MgOC ; et (c) la BOD se lie de préférence à la bilirubine avec son site de liaison à la bilirubine. L'électrode résultante présentera des performances inférieures par rapport à une électrode dépourvue de bilirubine lorsque le cas (a) domine. D'autre part, la bilirubine ne devrait pas influencer les performances lorsque le cas (b) domine, tandis que l'électrode résultante devrait présenter des performances améliorées si le cas (c) domine. Les manières envisageables par lesquelles la bilirubine est impliquée dans le mécanisme électrochimique comprennent : la bilirubine agissant comme un isolant, qui devrait diminuer les performances de l'électrode, et la bilirubine agissant comme un médiateur. Alors que ce dernier pourrait améliorer les performances des électrodes, la biliverdine est à peine réduite en bilirubine sur les électrodes à base de carbone47 ; par conséquent, ce scénario est peu probable. Par conséquent, si des performances d'électrode améliorées sont observées en présence de bilirubine, la bilirubine agit très probablement comme un "guide" d'immobilisation de la DBO, conduisant au site de liaison de la bilirubine face à la surface du MgOC.

Des biocathodes ont été fabriquées avec différentes quantités de bilirubine comme guide pour l'immobilisation de la DBO et caractérisées électrochimiquement (Fig. 5). Les résultats voltamétriques cycliques et chronoampérométriques montrent qu'une petite quantité de bilirubine sur l'électrode conduit à un courant de réduction accru, tandis qu'une grande quantité conduit à un courant de réduction réduit. Une petite quantité de bilirubine agit avec succès comme guide et aide le site de liaison de la bilirubine de la DBO à faire face à la surface du MgOC. Une grande quantité, cependant, semble inhiber la capacité de l'électrode à fournir des électrons à l'enzyme, éventuellement en agissant comme une couche isolante, confirmant qu'il est peu probable que la bilirubine présente un comportement de médiateur. La quantité optimale de bilirubine comme guide pour l'immobilisation de la DBO était de 20 nmol cm-2 (Fig. 5).

Évaluation électrochimique de biocathodes avec DBO adsorbée sur MgOC avec bilirubine comme guide d'orientation. CE = fil Pt ; RE = Ag/AgCl/sat. KCl; Tampon phosphate 1 M, pH 7,0. (a) Voltammogrammes cycliques. Légende : quantité de bilirubine. (b) Courant de réduction normalisé obtenu par chronoampérométrie par rapport à la quantité de bilirubine utilisée pour immobiliser la DBO. 0,3 V vs Ag/AgCl/sat. KCl. Courant pour électrode avec DBO immobilisée en l'absence de bilirubine = 1.

La biocathode optimisée, qui a été fabriquée à l'aide d'encre MgOC contenant CMC et BOD et immobilisée avec de la bilirubine comme guide, a été combinée à une bioanode, qui a été fabriquée à l'aide d'encre MgOC contenant CMC avec 1,2-NQ comme médiateur et LOx comme enzyme. La biopile résultante a montré un potentiel de circuit ouvert (OCP) de 0,65 V, une densité de courant maximale (Jmax) de 1,94 mA cm-2 et une densité de puissance maximale (Pmax) de 465 μW cm-2 (Fig. 6). Ces valeurs indiquent que le BFC fabriqué ici est parmi les BFC les plus performants utilisant le lactate comme carburant (tableau 1). Une densité de puissance de sortie environ la moitié de celle de la valeur telle que préparée a été observée au cours des 24 premières heures lorsqu'elle était stockée dans des conditions ambiantes à température ambiante sans exposition à une solution de carburant (Matériel supplémentaire, Fig. S3). Après le premier jour, cependant, les BFC étaient extrêmement stables pendant au moins trois jours supplémentaires (Fig. S3). Les enzymes immobilisées sur les électrodes poreuses sont généralement divisées en deux groupes : (1) les enzymes immobilisées à l'intérieur des pores et (2) les enzymes immobilisées sur la surface externe de l'électrode. La diminution drastique le premier jour est probablement due à l'inactivation de l'enzyme immobilisée sur la surface externe de l'électrode, car les conditions de stockage sont mal adaptées au maintien de l'activité enzymatique. La stabilité élevée à partir du deuxième jour suggère qu'une quantité importante de l'enzyme est fortement stabilisée par immobilisation à l'intérieur des mésopores du MgOC. Les glucides sont généralement connus pour stabiliser les enzymes séchées et sont donc souvent utilisés à ce titre dans les préparations lyophilisées et les bandelettes de détection d'enzymes (commerciales) et, comme indiqué ci-dessus, la CMC peut également améliorer la stabilité des enzymes43. Par conséquent, il est possible que la CMC contribue à la stabilité accrue des enzymes immobilisées à l'intérieur des mésopores du MgOC.

Évaluation électrochimique des biopiles fabriquées à l'aide d'encres MgOC avec CMC et bilirubine comme guides pour l'immobilisation de la DBO. Conditions : tampon phosphate 1 M, pH 7,0 ; lactate 100 mM; humidité 70%; température 36 ºC. Enzyme biocathode : DBO ; enzyme bioanode : LOx ; médiateur bioanode : 1,2-NQ. Rouge : densité de puissance ; bleu : densité de courant.

Dans cette étude, les performances d'un BFC sérigraphié à base de papier ont été améliorées en deux étapes. Tout d'abord, la dispersibilité de l'encre MgOC a été améliorée en ajoutant une petite quantité de CMC. La dispersibilité accrue a été confirmée rhéométriquement. Ainsi, les BFC fabriqués ont montré une performance accrue grâce à une meilleure accessibilité des mésopores du MgOC, ainsi qu'à l'effet stabilisant de la CMC sur les enzymes. Cet effet stabilisant a également été observé dans la stabilité au stockage des BFC. Deuxièmement, la DBO a été immobilisée de manière orientée en utilisant la bilirubine comme guide. Le BFC résultant a montré un OCP de 0,65 V, un Jmax de 1,94 mA cm-2 et un Pmax de 465 μW cm-2, ce qui est parmi les valeurs de performance les plus élevées signalées à ce jour pour les BFC utilisant du lactate comme carburant. Bien que cette étude ait utilisé le lactate comme carburant, le LOx comme enzyme anodique et le 1,2-NQ comme médiateur anodique, toutes les améliorations obtenues devraient s'appliquer à d'autres enzymes anodiques, médiateurs et carburants.

Les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles auprès des auteurs sur demande raisonnable.

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Ce travail a été partiellement soutenu par JST-ASTEP Grant Number JPMJTR21UF (IS, ST), JSPS KAKENHI Grant Number 21H03344 (IS, ST). Nous tenons à remercier Editage (www.editage.com) pour l'édition en anglais.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Noya Loew et Isao Shitanda.

Département de chimie pure et appliquée, Faculté des sciences et technologies, Université des sciences de Tokyo, 2641 Yamazaki, Noda, Chiba, 278-8510, Japon

Noya Loew, Isao Shitanda, Himeka Goto, Hikari Watanabe & Masayuki Itagaki

Institut de recherche pour la science et la technologie, Université des sciences de Tokyo, 2641 Yamazaki, Noda, Chiba, 278-8510, Japon

Isao Shitanda, Seiya Tsujimura et Masayuki Itagaki

RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research, 1-7-22 Suehirocho, Tsurumiku, Yokohama, Kanagawa, 230-0045, Japon

Tsutomu Mikawa

Division des sciences des matériaux, Faculté des sciences pures et appliquées, Université de Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8573, Japon

Seiya Tsujimura

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NL a écrit la préparation du projet original. IS, ST, TM ont contribué à la conceptualisation et ont rédigé l'avant-projet original. HG a enquêté sur l'analyse formelle, HW et M. J'étais superviseur. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Isao Shitanda.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Loew, N., Shitanda, I., Goto, H. et al. Biocathode à base de papier haute performance fabriquée par sérigraphie d'une encre de carbone mésoporeuse améliorée et par immobilisation orientée de la bilirubine oxydase. Sci Rep 12, 14649 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19052-4

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Reçu : 12 mai 2022

Accepté : 23 août 2022

Publié: 27 août 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-19052-4

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