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清华大学尹斓课题组 ACS Nano:可为电子药物供能的完全可降解锌电池
2023-03-15  来源:高分子科技

  作为一种新兴的医用设备,具有调节器官功能、改善治疗效果等特点的生物可吸收电子药物在治疗后期能够被生物体自动吸收、无需二次手术取出,近年来得到了广泛关注和发展,但为其供能的电源组件仍是实现其小型化、集成化的重要挑战。相关研究者提出了多种策略,包括生物可降解储能系统(电池和超级电容器)、基于电感耦合和光伏的生物可降解能量转换装置和生物可降解能量收集装置(摩擦电收集器、压电收集器等)。其中,生物可降解电池系统具有能量密度高和易于部署的优势,同时能够避免二次手术的需要,是实现生物可吸收电子药物的重要电源。然而,目前可供选择的电池体系在使用寿命、生物相容性和生物降解性等方面仍存在不足,限制了其作为临时植入物的治疗结果。


图1基于长寿命完全可降解锌电池的新型电子药物


  针对上述需求,清华大学材料学院尹斓副教授与北京脑科学与类脑研究中心熊巍教授等课题组紧密合作,设计并制备了一种由锌(Zn)负极和钼(Mo)正极材料组成的电池系统,通过金属颗粒的醋酸烧结增加电极比表面积以提高输出电压,并将完全可降解电池的寿命延长至19天,获得了理想的能量容量和性能。实验证明,电池材料体系具有良好的生物相容性,所提供的直流电场能显著促进雪旺细胞的增殖和背根神经节轴突的生长;进一步串联4组Zn-Mo电极所得到的电池组,可驱动电化学反应生成信号分子一氧化氮(NO),进一步调节细胞行为。植入实验证明,电池系统的材料最快可在3个月内完全降解。 


图2完全可降解锌电池为细胞生长及活动提供电场


  这项工作成功展示了开发高性能可生物降解原电池的材料选择和制造方案,并探究了电场对神经细胞生长及细胞活动的影响,以实现完全生物可吸收的新型电子药物,对未来医用设备的革新与治疗体验的改善提供了新的思路和策略。

相关研究成果近日以“Fully Biodegradable and Long-Term Operational Primary Zinc Batteries as Power Sources for Electronic Medicine”为题发表在ACS Nano上。


  该研究的第一完成单位为清华大学材料学院。清华大学材料学院尹斓副教授、北京脑科学与类脑研究中心熊巍教授为本文的共同通讯作者,清华大学材料学院博士生黄雪莹郁冰冰及生命学院博士生侯函青为本文的共同第一作者。清华大学电子系盛兴副教授、北京航空航天大学王柳助理教授、解放军总医院彭江教授、王玉研究员团队等为论文做出了重要贡献。研究得到了国家自然科学基金、清华-北京协和医院创新科研项目等的支持。


  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c12125

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