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人機界面和生物醫(yī)學修復學發(fā)展快速，其中融合了人類和機器的能力。這些創(chuàng)新帶來了巨大的好處，但植入性醫(yī)療器械（IMD）的有效性取決于其電池的可靠性。本文分為六部分，這些部分分別討論了電池技術(shù)在各個方面的進展，如在新型材料、無線充電解決方案、生物能源收集等方面，同時本文也明確了現(xiàn)有電池技術(shù)中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，并還強調(diào)了人工智能技術(shù)在改善植入式電池健康監(jiān)測方面的前景。

1、介紹

IMD的發(fā)展依賴于電源的不斷創(chuàng)新，以實現(xiàn)可靠而可持續(xù)的運行狀態(tài)。能量收集技術(shù)、無線能量傳輸和生物兼容電源在提升植入式設(shè)備的功能方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，為藥物輸送、監(jiān)測和治療干預提供了新的可能性。鑒于醫(yī)療植入物的重要性以及對其可靠運行所需的可持續(xù)電源的需求，本研究旨在展示IMD供電用電池和新型能量收集技術(shù)的最新進展。對谷歌學術(shù)和Scopus數(shù)據(jù)庫進行了詳盡搜索，以確定與該主題相關(guān)的研究論文。通過在數(shù)據(jù)庫中搜索自供電生物醫(yī)學植入物、生物醫(yī)學設(shè)備能量收集、新型植入式電池、自供電生物傳感器、神經(jīng)植入物、無線能量傳輸、自供電藥物輸送、無電池藥物輸送、植入式醫(yī)療設(shè)備和挑戰(zhàn)、植入式電池和挑戰(zhàn)來選擇文章。本綜述介紹了生物醫(yī)學植入物供電所采用的最新新型電池技術(shù)和能量收集技術(shù)，未來的電池技術(shù)，以及將技術(shù)從研究轉(zhuǎn)移到臨床使用所面臨的挑戰(zhàn)。因此，這些可以作為研究人員和學者的寶貴信息來源。

圖1：植入式電池 - 當前情況

2、電池技術(shù)及其對植入式設(shè)備的適用性

由于植入式電池技術(shù)在推動IMD的可持續(xù)性方面具有先天的重要性，因此與其相關(guān)的研究與開發(fā)呈現(xiàn)出無數(shù)的探索機會。鋰離子、鋰聚合物、薄膜、固態(tài)電池技術(shù)在能量密度、尺寸、壽命、可充電性和生物相容性方面的適用性得到了廣泛研究。由于其固有的高能量密度和長壽命，鋰離子電池在為醫(yī)療植入物供電方面處于領(lǐng)先地位。然而，剛性和沉重導致的不適使得將柔性和拉伸性納入鋰離子電池成為必要，這通過使用導電碳納米管纖維彈簧得以可行。但是，與陽極相比，這種柔性導致陰極的容量相對較低且循環(huán)穩(wěn)定性較差。隨著安全性和生物相容性問題的出現(xiàn)，研究人員開始關(guān)注無溶劑成分的固態(tài)鋰電池、生物相容性離子液體-生物聚合物電解質(zhì)支持的薄而緊湊的鎂-空氣電池，以及含絲素蛋白-離子液體聚合物電解質(zhì)的可生物降解薄膜鎂原電池。

此外，針對可穿戴動力紡織品研究了受自然啟發(fā)的界面，以實現(xiàn)可縫合、可編織和可清洗的纖維鋅電池。絲素離子交換膜可從鹽度差異中產(chǎn)生能量，并且基于壓電原理的離子交換膜被認為是植入式設(shè)備的理想能量來源。這表明，為了提高電池在生物醫(yī)學應(yīng)用中的效率，近期發(fā)展解決了傳統(tǒng)電池所帶來的限制，如有限壽命、剛性結(jié)構(gòu)和低能量密度。此外，近期發(fā)展使得自動充電技術(shù)和無線供電選項可用于植入式電池。另外，在開發(fā)水環(huán)境用植入式電池時，還強調(diào)了電化學與機械性能、可降解性和生物相容性。這一集合揭示了電池技術(shù)的進步，以提高生物醫(yī)學植入物供電用電池的性能。

3、電池的電氣特性

通過進行模擬與建模、體內(nèi)、體外、大規(guī)模原型等不同實驗，對新型電池和能量采集技術(shù)的電氣特性進行了驗證。在壓電超聲能量采集器（PUEH）中，通過將隔膜浸入水中并傳遞突發(fā)模式正弦信號來確定共振頻率。施加100 kHz至1 MHz范圍內(nèi)的信號，并監(jiān)測PUEH的響應(yīng)情況。由于第一和第三共振峰重疊，薄振膜設(shè)計可使寬帶達到170 kHz至820 kHz。此外，為了消除近場干擾，在兩個PUEH之間施加幅度為10 Vpp、頻率為200 kHz的正弦信號，在范圍（1-4cm）內(nèi)改變距離，由此確定不同最大輸出的最佳距離。實際上，由于難以在精確位置植入器件，因此經(jīng)常導致產(chǎn)生的電壓偏離實驗結(jié)果。通過在PEUH的寬帶內(nèi)調(diào)整頻率來解決這一問題。在水箱中使用大型鋯鈦酸鉛（PZT）發(fā)射器和PUEH接收器來重構(gòu)設(shè)備，以此驗證了不同頻率下的能量收集能力。對不同頻率輸入的功率輸出進行了量化，發(fā)現(xiàn)在370 kHz時功率為84.3 nW。

此外，還發(fā)現(xiàn)，在強度為700 mW/cm2的超聲波（US）下，該設(shè)計可以產(chǎn)生高達59.01 μW的功率，強度為2.9 mW/cm2。實驗測試結(jié)果與基于有限元分析（FEA）模型獲得的COMSOL模擬結(jié)果吻合良好。在另一項實驗中，利用約克夏豬模擬人體內(nèi)部環(huán)境，對摩擦電能量采集器進行了體內(nèi)研究。實驗結(jié)果表明，該能量采集器無需外部信號調(diào)節(jié)即可產(chǎn)生10 V和4 μA的輸出。此外，還記錄了輸出電壓隨呼吸運動的波動，這表明其具有呼吸功能監(jiān)測能力。在動物模型中測試PZT能量采集器時，采用不同的意識狀態(tài)來確定設(shè)備特性，例如，充分麻醉控制下的恢復狀態(tài)和意識狀態(tài)。在這三種狀態(tài)下，設(shè)備可與心臟功能良好響應(yīng)，分別產(chǎn)生2.3 V、2.2 V和0.3 V的峰間電壓。壓電能量收集裝置的示意圖如圖2所示。

基于電磁感應(yīng)的能量采集器的特征在于，在不同的輸入信號頻率和不同的線圈連接下，隨時間產(chǎn)生輸出電壓。實驗結(jié)果表明，通過自動切換線圈連接，可以改變輸出發(fā)電量。

圖2 壓電生物力學能量收集裝置示意圖

a 壓電電容器，PI封裝堆疊在硅襯底上 b 各層互連 c 帶柔性電纜的裝置 d 等效電路

一臺實用的電磁（EM）發(fā)電機使用16個和8個線圈就能分別產(chǎn)生5.1 mW和4 mW的功率。與無線供電神經(jīng)接口配合使用的無線充電器集成電路（IC）在較寬的電源電壓范圍內(nèi)（如4.35至16V）和電流范圍內(nèi)（如0.1 A至2 A）的效率大于85%。在基于無線電力的無線能量傳輸實驗中，利用耦合模式理論（CMT）對諧振器之間的相互作用進行了分析。理論和數(shù)值結(jié)果證實了在共振頻率下進行有效能量交換是可行的，只要諧振器之間存在強耦合。基于無線電力的無線電力感應(yīng)的主要限制在于，電磁場必須均勻分布以實現(xiàn)強耦合，針對這一需求的研究可以推動基于無線能量傳輸?shù)闹踩胧皆O(shè)備的發(fā)展。

使用光學顯微鏡對含有殼聚糖膽堿硝酸鹽CS-[Ch][NO3]聚合物電解質(zhì)膜的集成固態(tài)電池進行了表征，結(jié)果表明，以1:1的重量比向殼聚糖中添加[Ch][NO3]可顯著提高電解質(zhì)膜的離子電導率（7.3 × 10–4 S cm−1），而純殼聚糖膜的離子電導率低于10–8 S cm−1 。絲素膽堿硝酸鹽（SF-[Ch][NO3]（1:3））復合電解質(zhì)的離子電導率為3.4 mS cm−1，在電流密度為10 μA cm−2時，電池容量為0.06 mAh cm−2?；跉ぞ厶呛徒z素電解質(zhì)的電池具有良好的生物降解性，因此被推薦用于為短時瞬時生物醫(yī)學植入物供電，便于輸送藥物和監(jiān)測再生組織。經(jīng)證明，Zn/MnO2設(shè)計的可再充電固態(tài)纖維電池具有91 Wh·L−1的體積能量密度，即使在1000次充電-再充電循環(huán)后仍能保持98%的容量。表1總結(jié)了植入式電池的研究進展。

4、設(shè)備特定要求

4.1 心臟植入設(shè)備

起搏器、植入式心臟復律除顫器（ICD）和心臟再同步治療裝置是主要的心臟植入設(shè)備。這些設(shè)備在調(diào)節(jié)心臟功能方面發(fā)揮著重要作用，因此對為其供電的電池提出了量身定制的要求。在設(shè)計心臟再同步治療和ICD時，壽命是一個需要考慮的重要因素。然而，電池的壽命在不同的制造商之間存在差異，因此，一致性設(shè)計已成為當務(wù)之急。影響植入式電池壽命的另一個重要因素是植入體提供的心室起搏量，而心室起搏量又因患者而異，并隨時間而增加。盡管經(jīng)過精心設(shè)計，但仍然存在一些可導致ICD電池故障的內(nèi)在不確定性，包括(i)患者預期壽命和心臟植入物使用壽命不匹配(ii)由于包含低壓電容器而導致電池過早耗盡，以及(iii)電池的估計壽命和實際壽命之間存在差異，這需要進行可靠預測。這些研究表明，電池具有長壽命、高可靠性和高能效特點，可以確保心臟植入設(shè)備的不間斷運行。

4.2 神經(jīng)植入物和腦機界面（BMI）

通過補充神經(jīng)信號，包括神經(jīng)元群的低頻信號和個體神經(jīng)元的高頻動作電位，神經(jīng)植入物在提高眾多患者的生活水平方面發(fā)揮著重要作用。神經(jīng)植入物與BMI相結(jié)合可以進行適當?shù)谋O(jiān)測和控制，能夠記錄大腦的信號，并對傳遞給神經(jīng)元的信號進行調(diào)節(jié)。對于設(shè)備放置及其發(fā)射接收能力相關(guān)的難點，需要在電池的物理特征和電量方面進行專門的電池設(shè)計。生物相容性、小型化以及向大腦特定區(qū)域定向供電是神經(jīng)植入物和BMI設(shè)備供電電池亟待解決的一些重要要求。靶組織的復雜性要求在神經(jīng)植入物中使用高度生物相容性材料，其中也包括電池材料。此外，強烈推薦靈活的小型設(shè)備，因為它們可與彎曲的皮質(zhì)表面保持保形接觸，這有助于穩(wěn)定處理神經(jīng)信號。就神經(jīng)植入物電池而言，首要要求是圍繞小型化和生物相容性進行研究，以確保向設(shè)備安全供電。也就是說，無線能量傳輸和生物能源采集技術(shù)得到了深入研究，因為與其他技術(shù)相比，這兩種技術(shù)表現(xiàn)出良好的生物相容性。然而，用電需求高時，傳統(tǒng)電源是唯一可靠的電源，因此在很大程度上也對天然材料進行了探索。所以，當提到神經(jīng)植入物的靈活性時，小型化和生物相容性是傳統(tǒng)電池設(shè)計的主要要求。然而，無線能量傳輸和生物能量收集等新興技術(shù)仍處于起步階段，因而存在許多探索機會。

4.3 藥物輸送系統(tǒng)和生物傳感器

植入式藥物輸送系統(tǒng)和生物傳感器的最新發(fā)展已經(jīng)改變了慢性治療和康復機構(gòu)的情況。以納米科學為指導，只有憑借其固有的納米級生物傳感器，植入式生理監(jiān)測設(shè)備才得以實現(xiàn)。為了獲得小型化的好處，甚至利用納米級材料對藥物輸送系統(tǒng)進行了設(shè)計。這些研究預示了納米生物傳感器作為IMD的發(fā)展情況。藥物輸送系統(tǒng)能夠提供精確可控的藥物輸送，而生物傳感器使生理參數(shù)實時監(jiān)測成為現(xiàn)實。這樣的系統(tǒng)反過來又依賴于高效的電源來正常工作，這對效率、可靠性、小型化和安全性提出了要求。

植入式藥物輸送系統(tǒng)的內(nèi)在特征在于多儲器，這些儲器可以攜帶一定量藥物，按照預定時間表進行輸送，因此這些單元占據(jù)一定量的設(shè)備體積，為此需要嚴格縮小尺寸以適應(yīng)與其相連的每一個其他組件，電池也不例外。由于尺寸限制是植入式藥物輸送系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)電池設(shè)計的主要障礙，因此植入式系統(tǒng)中引入了微電池技術(shù)。經(jīng)證明，葡萄糖燃料電池的能量收集能夠產(chǎn)生高達43 µA峰值功率密度的能量，推薦用于植入式藥物輸送裝置供電。另一方面，由生物可降解聚合物制成的藥物輸送系統(tǒng)能夠通過感應(yīng)生物環(huán)境中的生物標志物按需遞送藥物，這種系統(tǒng)正在成為傳統(tǒng)儲器型藥物輸送系統(tǒng)的一種有前途的替代方案。經(jīng)證明，生物醫(yī)學植入物（如裝載藥物的心臟支架）可以防止再狹窄并實現(xiàn)長期通暢。這種系統(tǒng)能夠在沒有電池的情況下工作，并在短時間內(nèi)實現(xiàn)精確輸送藥物的期望目標。傳統(tǒng)植入式藥物輸送系統(tǒng)的局限性之一是無法根據(jù)需要改變藥物釋放速率。這種可定制性要求給設(shè)備增加信號發(fā)射接收功能，而尺寸和功率限制再次發(fā)揮作用?？紤]到所有這些因素，在很大程度上對無線能量傳輸?shù)剿幬镙斔驮O(shè)備以取代傳統(tǒng)電池進行了探索。

生物傳感器和監(jiān)測設(shè)備固有的無線能量傳輸以及能量收集技術(shù)得到了廣泛的研究。超靈敏低功率植入式生物傳感器能夠監(jiān)測傷口和骨折愈合期，僅需較小功率即可實現(xiàn)可靠運行，而這些能量可從生物源中獲取。例如，最新的生物醫(yī)學矯形外科植入物配備了能量采集器，能夠為其中的植入物健康監(jiān)測提供動力。有限元分析表明，這種改良版髖關(guān)節(jié)植入物與3壓電能量采集器相結(jié)合，可以產(chǎn)生1.76 V和55 J/s功率。然而，在植入式藥物輸送和基于生物傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)中，電池設(shè)計的主要限制之一是尺寸，這可以通過無線能量傳輸技術(shù)進行有效解決。這種嚴格的設(shè)計限制為納米技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了機會。

原文來源：Discover Applied Sciences (Published online: 01 November 2024)

5、植入式電池 - 健康監(jiān)測