兰州大学兰伟教授团队 Science子刊：面向植入医疗电子应用的柔性供能系统

2023-11-19 来源：高分子科技

植入式医疗电子器件的崛起为人体健康监测和疾病诊疗提供了极具前瞻性的解决方案。尽管在各类传感功能模块方面已经取得了长足进展，但迄今为止对于可植入能源器件的研究还非常有限。考虑到体内使用环境的特殊性，开发具有类组织柔软度 (消除机械损伤)、持续供电能力以及良好生物相容性和生物可降解性(解决电池寿命有限、有效避免重复手术移除更换等问题) 的电源系统是一个非常大的挑战。

近日，兰州大学物理科学与技术学院兰伟教授领衔的柔性电子科研团队提出了一个集无线充电和能量存储模块 (锌离子混合超级电容器) 为一体的柔性供能系统。该设计充分发挥了超级电容器高功率密度和长寿命的优点，进一步利用电磁耦合无线充电技术弥补了低能量密度的应用瓶颈。具体而言，通过构建异质结和利用凝胶电解质的离子限域效应，二者协同作用赋予锌离子混合超级电容器优异的储能性能。相关的降解实验和细胞毒性评价也表明电极材料和降解产物具有良好的生物相容性和生物可降解性。与无线充电模块进行一体化集成，构筑了一种柔软的集能量无线传输与存储一体的电源系统。整流后的直流电压不仅可用于给储能单元充电，还可直接给外部设备供电。基于电场驱动机制的药物释放应用演示进一步证实了其供能潜力，为解决植入式医疗电子设备面临的能源供应瓶颈提供了新的方案。

相关研究以“A soft implantable energy supply system that integrates wireless charging and biodegradable Zn-ion hybrid supercapacitors”为题发表在国际顶级期刊《Science Advances》上。兰州大学物理科学与技术学院青年研究员盛鸿伟为论文第一作者，余存江 (美国宾夕法尼亚州立大学，教授) 和王静 (兰州大学口腔医学院，教授) 为共同通讯作者。

图1. 集无线充电和能量存储为一体的电源系统

图2. 锌离子混合超级电容器

图3. 细胞毒性和生物可降解性评估

图4. 电触发药物释放演示实验

该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目 (61874166、62374077)、中央高校基本科研业务费 (lzujbky-2021-sp50)、青海省应用基础研究项目 (2022-ZJ-70)、甘肃省创新之星优秀研究生项目 (2022CXZX-056) 等的大力支持。

该工作是团队近期关于柔性可植入能源器件相关研究的最新进展之一。传统刚性电池和有线外部电源供能与生物组织接触往往会造成机械损伤和炎症反应。由于电池内部包含有毒有害物质，植入体内前需要进行严格的外部封装，存在一定的安全隐患。此外，电池寿命有限、不可降解，服役结束后，需要通过二次手术移除更换，给患者带来巨大的身体和经济负担。基于此，团队从材料的源头出发，针对体内植入特殊应用场景，围绕生物可降解水溶性金属箔和聚合物材料，重新设计材料组合与器件结构，致力于提升器件的持续供电能力 (能量密度、工作稳定性等指标)，取得了系列成果：团队首次提出了一种中性盐溶液介导的电化学氧化法，在钼箔上原位构筑了钼氧化物纳米片阵列，制备了一种轻、薄、柔性的超级电容器植入物 (Sheng et al., Sci. Adv., 2021; 7 : eabe3097)；为了进一步提升器件的能量密度，通过构筑异质结增强电极的电荷存储能力，开发了多种生物可降解电化学储能器件，包括超级电容器、锌离子电池和镁原电池 (Shao et al., Small, 2023, 19(10), 2205529)。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh8083

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（责任编辑：xu）

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