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核心摘要

隨著技術(shù)的進(jìn)步，有源植入式醫(yī)療器械，被廣泛應(yīng)用于治療各類疾病，如心臟起搏器、心臟復(fù)律除顫器、脊髓刺激器、深層腦刺激器、人工耳蝸、胰島素泵、藥物輸送系統(tǒng)等，這類器械大部分依靠電池供能。

 

植入式醫(yī)療器械和可穿戴電子產(chǎn)品，均屬于生物相容性電子產(chǎn)品，但關(guān)于植入式醫(yī)療器械電池的研究相對(duì)較少。對(duì)生物相容性電子產(chǎn)品而言，電池尺寸、重量、體積、使用壽命、生物安全性和可靠性，都是重要的考量因素。

 

理想的植入式能源供給器件，應(yīng)具有高能量密度、小植入體積、低感染風(fēng)險(xiǎn)和無(wú)經(jīng)皮導(dǎo)線的特性。目前，多數(shù)植入式電池，有堅(jiān)硬的金屬外殼，將有毒/有害化學(xué)物質(zhì)封裝在電極和電解質(zhì)中，防止與身體接觸。這些外殼會(huì)產(chǎn)生額外的惰性重量，導(dǎo)致體積更大，能量密度更低，安全性更低。這種電池長(zhǎng)期植入人體，也會(huì)大大增加感染和炎癥風(fēng)險(xiǎn)。

 

因此，有源植入式醫(yī)療器械的一大挑戰(zhàn)便是電池。

 

有源植入式醫(yī)療器械的發(fā)展趨勢(shì)，主要圍繞提高安全性、能量密度和使用壽命，實(shí)現(xiàn)自充電功能等展開，意在探索低毒性、高可靠性、體積小、更持久、更可靠的新型植入式電池。

 

近年來(lái)，有源植入式醫(yī)療器械電池主要研究領(lǐng)域，包括傳統(tǒng)充電電池、固態(tài)電池、能量收集器件和自驅(qū)動(dòng)等。研發(fā)思路，主要通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)和材料選擇，以確保電池的安全性、生物相容性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。研究的重點(diǎn)，包括材料合理性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)、以及柔性、生物安全性和良好性能的驗(yàn)證，以便更好地滿足實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化的要求。

 

植入式電子器件的發(fā)展簡(jiǎn)史

圖片來(lái)源《中國(guó)科學(xué)》

1、傳統(tǒng)充電電池

 

第一個(gè)植入式心臟起搏器，使用的是鎳鎘充電電池。隨后，歷時(shí)兩年多，鋅汞電池問(wèn)世。但1972年，鋰電池發(fā)明后，一騎絕塵，顛覆了之前各種類型的充電電池。

 

目前，有源植入式醫(yī)療器械，主要采用鋰電池作為供能系統(tǒng)，其他還包括鋅電池、鎂電池等。

 

1.鋰電池

 

（1）工作原理

 

化學(xué)反應(yīng)：基于鋰離子的移動(dòng)。在充電過(guò)程中，鋰離子從正極材料，移動(dòng)到負(fù)極材料。在放電過(guò)程中，鋰離子從負(fù)極返回正極，通過(guò)電解液和隔膜移動(dòng)。

 

電極材料：正極和負(fù)極材料是關(guān)鍵，決定了電池的能量密度和循環(huán)壽命。植入式醫(yī)療器械電池，必須使用高能量密度材料，如鋰鈷氧化物、鋰鐵磷酸鹽或鋰錳氧化物；負(fù)極一般采用如石墨。

 

電解液和隔膜：電解液是鋰離子移動(dòng)的介質(zhì)，而隔膜則防止正負(fù)極直接接觸，防止短路。植入式醫(yī)療器械電池，常使用固態(tài)或凝膠電解液，更安全，且不易泄漏。

 

控制電路：為了確保電池的安全和性能，植入式醫(yī)療器械電池常配備有控制電路，如保護(hù)電路和電池管理系統(tǒng)，可以監(jiān)控電池的狀態(tài)，防止過(guò)充、過(guò)放和溫度過(guò)高。

 

封裝：植入式醫(yī)療器械電池，需要特殊的生物相容性封裝，以防止人體組織與電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)接觸，并保護(hù)電池不受體內(nèi)環(huán)境的侵蝕。

 

（2）應(yīng)用與挑戰(zhàn)

 

20世紀(jì)70年代以來(lái)，鋰電池在有源植入式醫(yī)療器械中開始廣泛應(yīng)用。鋰電池使用壽命長(zhǎng)達(dá)十年，由于具有高能量密度、較長(zhǎng)使用壽命和穩(wěn)定的放電特性，鋰電池曾是心臟起搏器的黃金標(biāo)準(zhǔn)。

 

然而，隨著人類壽命延長(zhǎng)，當(dāng)有源植入式醫(yī)療器械壽命超過(guò)十年時(shí)，問(wèn)題就出現(xiàn)了。當(dāng)電量不足時(shí)，需重新手術(shù)進(jìn)行更換，更換電池頻率比原來(lái)要高得多。尤其是高齡人群，更換電池不僅需要昂貴的醫(yī)療費(fèi)用，還要承擔(dān)手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。這些風(fēng)險(xiǎn)包括感染、血栓、血管或神經(jīng)損傷、肺萎陷和心臟穿孔。

 

此外，鋰電池的電解質(zhì)有毒性，為了安全起見，通常會(huì)采用特殊封裝和保護(hù)措施，以確保在人體內(nèi)的安全性。這種嚴(yán)格封裝，導(dǎo)致了體積大，無(wú)法原位植入，需要經(jīng)皮導(dǎo)線連接等等，從而易造成感染和設(shè)備故障。

 

盡管，近年來(lái)通過(guò)不斷努力，實(shí)現(xiàn)了鋰電池能量密度的提高和循環(huán)壽命的延長(zhǎng)，但因其使用有毒、易燃、高反應(yīng)活性的組件而受到安全限制。與普通鋰電池相比，必須設(shè)計(jì)得更小巧、更安全，具有更長(zhǎng)使用壽命。

 

2.鋅電池

 

鋅電池作為鋰電池的有力競(jìng)爭(zhēng)者之一，因其良好的安全性、低成本、高容量和較好的能量密度，在近年來(lái)受到關(guān)注。與鋰電池相比，鋅電池安全性優(yōu)勢(shì)更為突出。

 

（1）工作原理

 

基于金屬鋅負(fù)極的新興鋅基電池系統(tǒng)，主要包括鋅空氣電池、鋅金屬電池、鋅離子電池和基于其他轉(zhuǎn)換反應(yīng)的電池，如鋅碘電池、鋅溴電池和雙電子鋅錳電池。下圖展示了不同的鋅基電池的原理，儲(chǔ)能機(jī)制和優(yōu)缺點(diǎn)。

 

鋅電池工作原理示意圖、儲(chǔ)能機(jī)制、優(yōu)缺點(diǎn)

圖片來(lái)源：Advanced Materials

 

（2）應(yīng)用和挑戰(zhàn)

 

作為一種新興低成本器件供能技術(shù)，鋅電池由于本征的安全性，在用于生物相容性電子器件時(shí)更具競(jìng)爭(zhēng)力，但生物相容性鋅電池的發(fā)展處于較早階段。由于缺乏成體系的設(shè)計(jì)和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，仍面臨不少問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

 

采用鋅金屬作為負(fù)極時(shí)，循環(huán)過(guò)程中枝晶的生長(zhǎng)是鋅電池主要問(wèn)題之一。然而，這一問(wèn)題在柔性鋅電池中還鮮有研究。由于電場(chǎng)分布極度不均勻，柔性構(gòu)型中鋅枝晶的生長(zhǎng)或更為嚴(yán)重。

 

鋅電池的研究一般采用扣式電池，這種構(gòu)型不符合生物相容鋅電池的設(shè)計(jì)原則，受到液態(tài)電解質(zhì)和堅(jiān)硬不銹鋼外殼的限制。

 

生物相容性鋅電池，由于水凝膠電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率低、電極與電解質(zhì)之間的接觸不良，電池性能受制于較大的阻抗、較差的倍率能力和較低的能量密度。

 

鋅金屬的過(guò)量使用，會(huì)增加電池的整體重量并加重副反應(yīng)。針對(duì)上述問(wèn)題，研究人員提出了一些優(yōu)化策略，例如在凝膠中引入氧化石墨烯，通過(guò)促進(jìn)離子傳輸來(lái)改善水凝膠電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。

 

負(fù)極集流體的使用，是解決鋅金屬過(guò)量使用導(dǎo)致的成本增加和副反應(yīng)加劇的可行措施。此外，使用集流體可以提高活性物質(zhì)的利用率，獲得更高的能量密度。

 

3.固態(tài)電池

 

目前，新能源汽車主要采用磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池為主要?jiǎng)恿﹄姵?。這兩種電池，綜合性能近乎發(fā)揮到了“極限”，在技術(shù)上越來(lái)越難有新的突破。

 

液態(tài)鋰電池在充放電過(guò)程中，會(huì)不可避免地發(fā)生副反應(yīng)，不僅影響電池壽命，同時(shí)有機(jī)易燃電解液，引起安全問(wèn)題及自燃問(wèn)題，引發(fā)對(duì)鋰電池安全性的疑慮。

 

固態(tài)電池因其安全性、柔性優(yōu)勢(shì)，和使用壽命優(yōu)勢(shì)進(jìn)入研發(fā)視野，同時(shí)有望在植入式醫(yī)療器械等微電池領(lǐng)域也得以應(yīng)用。

 

（1）工作原理

 

固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)取代電解液，具備安全性優(yōu)勢(shì)。

 

固態(tài)電解質(zhì)主要包括聚合物、氧化物、硫化物三種類型。與電解液相比，固態(tài)電解質(zhì)同時(shí)具備不易燃、耐高溫、化學(xué)活性低的特性，此外還具備一定的力學(xué)強(qiáng)度，可以更好的抑制鋰枝晶生長(zhǎng)，抵抗外界應(yīng)力沖擊，降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)，大幅提高電池安全性能。

 

固態(tài)電解質(zhì)能兼容更高比容量正負(fù)極材料，打開能量密度上升空間。與電解液相比，固態(tài)電解質(zhì)具備更高的安全性與更寬的電壓窗口，有望解決高壓正極材料如富鋰錳基、尖晶石鎳錳酸鋰與現(xiàn)有電解液不兼容的問(wèn)題。

 

固態(tài)電解質(zhì)具備一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可以補(bǔ)償負(fù)極材料尤其是硅基材料的體積變化應(yīng)力，也不容易導(dǎo)致鋰損耗，提升硅基材料循環(huán)性能，使硅基負(fù)極向更高硅含量拓展。

 

（2）應(yīng)用和挑戰(zhàn)

 

固態(tài)電池的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，面臨很多挑戰(zhàn)，包括成本、制造工藝和性能優(yōu)化等。此外，固態(tài)電解質(zhì)適配鋰金屬負(fù)極，有望最終實(shí)現(xiàn)鋰金屬電池的產(chǎn)業(yè)化。隨著這些問(wèn)題的解決，固態(tài)電池有望在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

 

2、植入式能量收集器件的發(fā)展

 

從生物和周圍環(huán)境中收集能量為植入式醫(yī)療器械供能具有廣泛的現(xiàn)實(shí)意義。

 

植入式能量收集器件的思路是應(yīng)用壓電效應(yīng)、熱能轉(zhuǎn)換、靜電效應(yīng)以及化學(xué)反應(yīng)等多種方法，從人體內(nèi)部或外部環(huán)境收集能量，機(jī)械能、熱能、化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，從而為可穿戴或可植入器械進(jìn)行供電，減少對(duì)傳統(tǒng)電池的依賴。

 

生物超級(jí)電容和能量采集設(shè)備，指的是利用人體的自然能量轉(zhuǎn)化為電能，自驅(qū)動(dòng)來(lái)為植入設(shè)備供電，理論上能無(wú)限期地為設(shè)備提供能量，消除了更換電池的需要。

 

電容器可以提供優(yōu)良的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，但最大的問(wèn)題是低能量密度和能量效率。

 

植入式能量收集器件在人體的應(yīng)用領(lǐng)域

圖片來(lái)源：科匠文化

 

1.納米發(fā)電機(jī)

 

近年，納米發(fā)電機(jī)已被植入生物體中以收集能量、感測(cè)或刺激神經(jīng)和肌肉。納米發(fā)電機(jī)可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,主要包括壓電納米發(fā)電機(jī)和摩擦納米發(fā)電機(jī)。

 

（1）壓電納米發(fā)電機(jī)

 

（a)工作原理

 

壓電納米發(fā)電機(jī)，是一種利用壓電材料在受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生電荷的特性，將環(huán)境中的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

 

工作原理基于壓電效應(yīng)，即某些材料在受到機(jī)械變形時(shí)，其內(nèi)部的正負(fù)電荷中心會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，這種形變會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部的電偶極矩重新排列，在材料的兩端產(chǎn)生電荷，導(dǎo)致材料兩端產(chǎn)生電勢(shì)差。這種效應(yīng)是可逆的，即施加電場(chǎng)也可以引起材料的機(jī)械變形。通過(guò)電極收集這些電荷，就可以輸出電壓和電流。

 

壓電能量收集器使用壓電材料，而電磁振動(dòng)能量收集器通常包含一個(gè)或多個(gè)線圈和一個(gè)可移動(dòng)的磁鐵。壓電能量收集器通過(guò)將機(jī)械壓力或振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能。

 

（b)應(yīng)用和挑戰(zhàn)

 

壓電納米發(fā)電機(jī)，可以設(shè)計(jì)成不同的形式，如薄膜型、纖維型或納米線型，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。例如，薄膜型壓電納米發(fā)電機(jī)可以集成到衣物中，利用人體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能；纖維型或納米線型壓電納米發(fā)電機(jī)則可以用于更小型的設(shè)備，如傳感器或植入式醫(yī)療器械。

 

壓電納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

圖片來(lái)源：科匠文化

 

（2）摩擦納米發(fā)電機(jī)

（a)工作原理

 

摩擦納米發(fā)電機(jī)是一種基于摩擦起電和靜電感應(yīng)原理的能量收集裝置，能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

 

工作原理，是利用兩種不同材料之間的摩擦來(lái)產(chǎn)生電荷，通過(guò)靜電感應(yīng)來(lái)收集這些電荷，產(chǎn)生電流?？梢杂糜谑占h(huán)境中的機(jī)械能，如人體運(yùn)動(dòng)、風(fēng)能、水波能等，并將這些能量轉(zhuǎn)換為電能，為小型電子設(shè)備或傳感器提供動(dòng)力。輸出性能取決于多種因素，包括材料的選擇、表面的粗糙度、接觸面積、運(yùn)動(dòng)頻率等。

 

摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

圖片來(lái)源：科匠文化

 

（b)應(yīng)用和挑戰(zhàn)

 

不同的材料通過(guò)摩擦起電產(chǎn)生的電量有很大差異，因此需要嘗試各種材料。

 

喬治亞理工學(xué)院納米技術(shù)研究人員制作了類似于微觀城市街區(qū)的立方體網(wǎng)格，類似于竹林的納米線，以及類似于吉薩大金字塔的那種金字塔陣列。這些材料用金字塔陣列覆蓋表面可以將發(fā)電量相比于平板增加五倍。研究人員已經(jīng)在老鼠，兔子和豬身上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了起搏器等由呼吸和心跳加速提供電能的植入式裝置。

 

還有研究設(shè)計(jì)了摩擦起電的可穿戴設(shè)備，制造了摩擦電布，可以為配置鋰離子電池的柔性腕帶充電。

 

常見的靜電效應(yīng)可以用來(lái)為設(shè)備供電。當(dāng)兩種不同材料彼此反復(fù)碰撞或摩擦?xí)r，一種材料的表面可以從另一種材料的表面上奪取電子，積聚電荷，這被稱為摩擦起電現(xiàn)象。摩擦起電的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是包括天然材料和合成材料在內(nèi)的幾乎所有材料能夠產(chǎn)生靜電。

 

有研究者構(gòu)建了一種具有自支撐結(jié)構(gòu)、高安全性和高能量存儲(chǔ)能力的生物相容性對(duì)稱鈉離子微電池。對(duì)稱鈉離子微電池，是由基于鈉離子的雙功能電極和生物相容電解質(zhì)構(gòu)成的。采用靜電紡絲、靜電噴霧、碳化相結(jié)合的方法構(gòu)建了球形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的薄膜電極。靜電紡絲和靜電噴霧技術(shù)的相結(jié)合，使活性物質(zhì)/碳球均勻地加入到碳納米纖維基體中，產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、電子/離子傳輸速度快、負(fù)載量高的電極。

 

2.電磁發(fā)電機(jī)

 

電磁能量收集裝置，通常包括一個(gè)或多個(gè)線圈，這些線圈可以接收外部電磁場(chǎng)產(chǎn)生的能量。外部電源（如無(wú)線充電器）產(chǎn)生電磁場(chǎng)，植入體內(nèi)的線圈通過(guò)電磁感應(yīng)現(xiàn)象收集能量，并將這些能量轉(zhuǎn)換為電能。電磁振動(dòng)能量收集器則是通過(guò)振動(dòng)使磁鐵相對(duì)于線圈移動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流。

 

機(jī)械腕表的主要部件就是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和電磁發(fā)電機(jī)。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的偏心擺錘可以將物體的水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將機(jī)械能持續(xù)儲(chǔ)存到發(fā)條彈簧中。當(dāng)達(dá)到機(jī)械能的閾值時(shí)，彈簧將驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電脈沖。

 

3.熱電發(fā)電機(jī)

 

熱能收集裝置（熱電發(fā)電機(jī)），由熱電材料組成，這些材料能夠?qū)囟炔钷D(zhuǎn)換為電能。利用人體內(nèi)部和外部環(huán)境之間的溫度差，通過(guò)熱電效應(yīng)產(chǎn)生電能。熱能收集裝置通常需要較大的溫度差，才能產(chǎn)生足夠的電能。

 

人的心臟每年跳動(dòng)的次數(shù)超過(guò)4000萬(wàn)次，所有這些能量都會(huì)轉(zhuǎn)換成身體熱能成為潛在的資源。目前，有研究正在探索用于可穿戴設(shè)備的熱能發(fā)電裝置。

 

人體熱能發(fā)電，面臨著一些主要問(wèn)題。這種能量轉(zhuǎn)換方式往往依賴于溫度差異，但人體的體溫常常會(huì)保持相當(dāng)恒定的狀態(tài)，因此人體內(nèi)部的溫度差異還不足以產(chǎn)生大量電力。但是，如果這些裝置能夠在收集身體體溫的同時(shí)，暴露于相對(duì)涼爽的外部環(huán)境中的話，就能夠解決問(wèn)題。

 

4.光電轉(zhuǎn)換器

 

光電轉(zhuǎn)換器，通過(guò)皮膚吸收外部光源（如太陽(yáng)光或特定波長(zhǎng)的光）并將其轉(zhuǎn)換為電能。這種方法的能量轉(zhuǎn)換效率，可能受到皮膚對(duì)光的吸收和散射的影響。通常包括光電材料，如光電池或有機(jī)光伏材料等。

 

5.生物燃料電池

 

（a)工作原理

 

體內(nèi)葡萄糖的氧化還原反應(yīng)包含大量可用化學(xué)能量。生物燃料電池是一種利用生物酶催化有機(jī)物質(zhì)氧化還原反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電能的裝置，其通過(guò)酶和身體內(nèi)的能量?jī)?chǔ)存分子（例如血液中的葡萄糖）之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力，或者是汗液中分泌的乳酸，可以將體內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能提供能量。例如，從真菌中提取的纖維乙糖脫氫酶可以分解葡萄糖，并在納米碳管中產(chǎn)生電流。

 

生物燃料電池具有高選擇性：由于酶對(duì)特定底物的高選擇性，可以有效地利用特定的生物質(zhì)燃料。其次，它的操作條件溫和，酶促反應(yīng)通常在溫和的溫度和pH條件下進(jìn)行，這使得其適合在生物相容的環(huán)境中使用。此外，還具有環(huán)境友好性，使用生物降解的酶和燃料，對(duì)環(huán)境的影響較小。

 

生物燃料電池也面臨一些挑戰(zhàn)，包括酶的穩(wěn)定性和活性、燃料的供應(yīng)和擴(kuò)散限制、以及電極材料和電解質(zhì)的優(yōu)化等。這些挑戰(zhàn)限制了實(shí)際應(yīng)用，隨著生物技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，問(wèn)題正在逐步得到解決。

 

法國(guó)科學(xué)家創(chuàng)造了一種基于酶涂層碳納米管的生物燃料電池，其體積大約只有半茶匙，當(dāng)植入老鼠體內(nèi)時(shí)，可以通過(guò)與血糖反應(yīng)產(chǎn)生足夠的電力，為L(zhǎng)ED或數(shù)字溫度計(jì)供電。

 

酶的選擇可能會(huì)很棘手。研究中都發(fā)現(xiàn)葡萄糖氧化酶可以在植入實(shí)驗(yàn)小鼠的生物燃料電池中產(chǎn)生電力，但該酶也會(huì)產(chǎn)生過(guò)氧化氫（一種常見的漂白劑成分），這可能會(huì)惡化設(shè)備的性能，并且會(huì)對(duì)身體產(chǎn)生傷害。

 

（b)應(yīng)用和挑戰(zhàn)

 

2023年5月，南京大學(xué)課題組開發(fā)設(shè)計(jì)了一種可在體內(nèi)工作的植入式鋅氧氣電池。鋅氧氣電池在放電過(guò)程中通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，同時(shí)生成對(duì)人體無(wú)害的副產(chǎn)品?？梢栽患稍谏窠?jīng)導(dǎo)管上，通過(guò)電刺激促進(jìn)施旺細(xì)胞的增殖和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的釋放，促進(jìn)長(zhǎng)節(jié)段受損神經(jīng)的再生。

 

植入式鋅氧氣電池的結(jié)構(gòu)

圖片來(lái)源：Advanced Materials

 

鋅氧氣電池的正極是碳納米管/鉑復(fù)合薄膜，負(fù)極是鋅絲。正負(fù)極固定在管狀的取向聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)膜上，外層包裹多孔PLGA薄膜以提供力學(xué)支撐。鋅氧氣電池利用體液作為電解液，利用體內(nèi)的氧氣實(shí)現(xiàn)放電。

 

2024年3月， Cell Press旗下期刊Chem期刊上，刊登了天津理工大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)的一種植入式電池，也可以依靠體內(nèi)的氧氣運(yùn)行。

靠氧氣運(yùn)行的植入式電池

圖片來(lái)源：Chem

4、未來(lái)趨勢(shì)

 

有源植入式醫(yī)療器械的電池技術(shù)，正朝著多方向發(fā)展，以提高設(shè)備的安全性、持久性和功能性。

需要考慮的因素很多：有效利用活性物質(zhì)和降低電池電阻，以實(shí)現(xiàn)更高的能量密度和功率密度；負(fù)極問(wèn)題入枝晶、腐蝕、析氫和鈍化，正極問(wèn)題如正極溶解、結(jié)構(gòu)崩塌和穿梭效應(yīng)等也應(yīng)引起足夠重視。未來(lái)，在設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮以下原則：

 

（1）水凝膠電解質(zhì)的基體材料：作為必不可少的組分之一，水凝膠的研究不能只關(guān)注電解質(zhì)溶質(zhì)成分的改性和添加劑，而應(yīng)更注意設(shè)計(jì)具有高導(dǎo)電性、柔韌性和粘滯性的水凝膠。

 

（2）集流體的合理設(shè)計(jì)：為了實(shí)現(xiàn)柔性和提高電極電子導(dǎo)電率，正負(fù)極都可以使用集流體。因此，應(yīng)該著重考慮集流體的材料和結(jié)構(gòu)等優(yōu)化。

 

（3）系統(tǒng)的性能評(píng)估：柔性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的差異，阻礙了不同電池之間的性能對(duì)比，應(yīng)用參數(shù)來(lái)描述柔性電池的彎曲狀態(tài)，建立統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

 

（4）嚴(yán)格的生物相容性驗(yàn)證：對(duì)于植入式器件，必須考慮安全性和穩(wěn)定性，事先進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)，穩(wěn)定性不應(yīng)只通過(guò)循環(huán)穩(wěn)定性來(lái)表征，對(duì)半永久植入式器件來(lái)說(shuō)體內(nèi)穩(wěn)定性可能更為重要。

 

（5）各種器件的耦合：生物相容性電池與目標(biāo)器件的耦合應(yīng)受到重視，使不同部件協(xié)調(diào)運(yùn)行的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)更多的問(wèn)題，阻礙了商業(yè)化進(jìn)程。

 

隨著科技的進(jìn)步和跨學(xué)科研究的深入，未來(lái)的電池解決方案，將更加多樣化和高效化。這些進(jìn)展不僅可能降低植入式器械的維護(hù)頻率和患者的不適感，還可能擴(kuò)展這些設(shè)備在臨床上的應(yīng)用范圍和有效性。

 

雖然，很多先進(jìn)的理念設(shè)備目前尚處于概念驗(yàn)證階段，沒有上市。但預(yù)測(cè)不到十年就會(huì)市場(chǎng)化。在未來(lái)，能量采集設(shè)備會(huì)變得更適用于人體。