科学视点

兰州大学生物可降解储能器件研究取得重要进展

健康实时监测与精准诊疗,植入式医疗电子器件是核心产品,目前主要依赖于植入式一次电池,占据了器件大部分质量和体积,电池耗尽需要通过二次手术替换或移除。由于电池中包含有毒或有害物质,在植入前需要严格的刚性封装和生物兼容处理。基于此背景,多种植入式能量供应替代方案被业界提出,包括植入式能量捕获装置(如葡萄糖生物燃料电池、纳米发电机等),无线电传输技术(如电感耦合/射频、光伏/超声诱导等),但这些方案存在不可降解、机械刚性、尺度较大、能量较低等各种弊端,限制了在生物可降解医疗电子器件中的使用。因此,实现轻薄、柔性、小尺寸、全生物可降解的能量供应方案是迫切需求。

近日,兰州大学兰伟团队、王凯荣课题组联合美国休斯敦大学余存江教授,发明了一种轻薄、柔性的全生物可降解超级电容器植入物,兼具高能量密度和功率密度。该器件由绿色、安全、生物相容的材料构成,工作任务完成后可在生物体内完全降解吸收,经自然新陈代谢排出体外,无须二次手术移除,具有安全、健康、避免手术痛苦和降低医疗成本等特点。该研究有望为下一代生物可降解植入式医疗电子器件或其他瞬态电子器件提供能量解决方案。

该研究成果以“A thindeformablehigh-performance supercapacitor implant that can be biodegraded and bioabsorbed within an animal body”为题,202118日在《Science Advances》发表。


记者获知,该超级电容器件具有快速充放电、功率密度高和长寿命使用等特点,可为有源植入式医疗电子器件供能,被认为是一种理想的储能装置。兰州大学柔性电子科研团队采用简单、绿色、可控的电化学氧化策略,在水溶性金属钼箔表面原位生长了一层富缺陷的非晶氧化钼微纳米片阵列,将其用作赝电容活性电极,生物相容的海藻酸钠水凝胶作为电解质,组装对称固态超级电容器植入物。封装后的器件可在模拟体液环境中有效工作一个月,实现了工作寿命的长短可控。器件的能量密度同比高出2个数量级,在不同角度持续弯曲数百次后,未发现明显的能量衰减。通过器件串并联可为各类商用电子产品供能。将该器件植入到SD大鼠皮下能正常工作,任务完成后的半年内,通过一系列水解反应和新陈代谢被自然吸收,对生物体不产生任何不良反应。



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