生物可降解能源器件潜能巨大

作者：刘卓、刘莹等      来源：科技导报

随着社会的不断发展，人口老龄化带来了一系列健康问题。不断增加的神经和心血管疾病对植入式电子医疗器件（IEMDs）提出了迫切需求。

植入式电子医疗器件（IEMDs）在当今临床医学领域中占据重要地位，然而当其完成使命或者电源耗尽后，为避免引发炎症或产生副作用需要被移出体外，但移除手术具有引发并发症的危险。为了有效地规避风险，一种具有生物相容性、可控性和生物可降解的新式能源器件，成为临床医学的迫切需求。

刘卓等人在《科技导报》第9期发表了《生物可降解能源器件及其应用》一文，文章介绍了具有生物相容性、可控降解和生物可吸收的新式能源器件。其中重点介绍了生物可降解原电池、光伏电池、超级电容器和摩擦纳米发电机及其应用，并探讨了各自所面临的挑战和未来发展趋势。

目前，生物可降解能源器件主要包括生物可降解原电池、光伏电池、超级电容器和摩擦纳米发电机4类。

其共同特征是所选材料具有良好的生物相容性并且能够在体内降解吸收，但是工作原理各不相同（图1）。

图1   生物可降解能源器件

01

生物可降解原电池

基于氧化还原反应的原电池在日常生活中应用广泛。但是其使用后的废电池通常由重金属、不可降解聚合物、氧化物和危险电解质组成，对人体有着潜在危害。

Huang等基于瞬态电子学，采用氧化钼作为阴极材料，镁作为阳极材料，海藻酸钙水凝胶电解质及聚酐涂层作为包覆材料研制出了生物可降解原电池（图2）。

图2   生物可降解原电池

Mg本身具有很好的生物相容性，还具有很高的理论能量密度；MoO3具有理想的生物相容性和降解性；海藻酸钙水凝胶电解质和聚乳酸-羟基乙酸共聚物能够很好地延长电池寿命。

单个Mg-MoO3电池能量足以驱动红色发光二极管（LED）、计算器和心电图（ECG）信号检测器的放大器等电子器件。该电池在体内外均可完全降解，且降解产物具有良好的生物相容性。

该电池系统能为特殊的可降解植入式电子医疗器件提供有前途的能源解决方案，在重大疾病的诊断和治疗中发挥重要作用。

02

生物可降解光伏电池

光伏电池是通过光电效应直接把光能转化成电能的装置。光伏电池作为一种清洁能源，具有无限可再生、零排放、无噪音的特点，受到了研究人员的广泛关注。

Lu等结合光伏电池原理和瞬态电子学技术，研制出了生物可降解的单晶硅（Si）光伏微电池作为瞬态植入式电子医疗器件的电源（图3）。

图3   生物可降解光伏电池

电池由每行12个并行6行的掺杂硼和磷的硅太阳能电池单元阵列组成，阵列之间由金属钼（Mo）进行连接，整体器件用PLGA涂层进行封装。

电池对于细胞不具有毒性，降解后的副产物也具有良好的生物相容性。生物可降解的硅光伏微电池为体内电源面临的难题提供了具有吸引力的解决方案，能够加速不同类型的临时植入医疗电子器件的开发。

03

生物可降解超级电容器

超级电容器是一种通过电极与电解质之间形成界面双电层来存储能量的电子元器件。

它介于传统电容器和充电电池之间，既具有电容器快速充放电的特性，又具有电池的储能特性，循环寿命高，且所选材料一般都具有环境友好的特点。

Wang等采用乳酪作为隔离层，金箔作为集流体，活性炭作为电极，蛋清作为电极间的黏合剂，海藻作为分离器，佳得乐运动饮料作为电解质并以明胶作为封装材料，研制出了在体外可杀死致病细菌且串联之后可启动电子装置的可食用超级电容器（图4）。

图4   生物可降解超级电容器

作为独立的装置，该超级电容器组不仅可食用、易消化，还可为商用USB相机供电。

其作为电源在生物医学设备供能方面展现出巨大潜力，并有望促进未来食用能源和其他可食用可消化功能装置及电子设备的开发。

04

生物可降解摩擦纳米发电机

基于摩擦电效应和静电感应耦合的原理，摩擦纳米发电机能够有效地将环境中的机械能转换为电能。

其主要工作模式包括4种——垂直接触分离模式、水平横向滑移模式、自由摩擦层模式和单电极模式（图5）。

图5   摩擦纳米发电机4种工作模式

器件所选材料来源广泛，成本低廉，研制方法简易，这种新兴技术提供了一种制备新型电源的方案。

封装后的摩擦纳米发电机，能够植入到生物体内，有效地将生物机械能（心跳、呼吸、肢体运动等）转化为电能。

植入式摩擦纳米发电机以垂直接触分离工作模式为主，所产生的电能在健康监测，为心脏起搏器供能等方面取得了成功。

研究人员基于摩擦纳米发电机原理，成功研制出了基于人工合成高分子材料和纯天然材料的生物可降解摩擦纳米发电机。

Zheng等提出了一种可降解人工合成高分子材料（聚乳酸-羟基乙酸共聚物等）作为摩擦层和封装层，金属镁作为电极层的生物可降解摩擦纳米发电机（BD-TENG）（图6）。

图6   基于人工合成高分子材料的生物可降解摩擦纳米发电机

对研制后的器件进行生物学实验表征，结果表明，BD-TENG具有良好的生物相容性，还能够实现输出电压和降解时间的可控。

BD-TENG也可直接作为刺激器，显示出其用于神经修复的可行性，在生物学应用方面有较大的潜能。

图7   基于纯天然材料的生物可降解摩擦纳米发电机

Jiang等提出可以利用自然来源的天然可降解材料（纤维素、甲壳素、丝素蛋白、米纸和蛋清）开发出生物可降解摩擦纳米发电机（BN-TENG）（图7）。

通过调节蚕丝蛋白结晶度可对以蚕丝蛋白作为封装体系所制备的BN-TENG的使用寿命加以调控，实现BN-TENG在体内及体外的可控降解。

BN-TENG还为心率过缓、心律不齐等疾病提供了新的可能解决方案。

05

结论

生物可降解原电池、光伏电池、超级电容器及摩擦纳米发电机4种生物可降解能源器件，在植入式瞬态电子器件领域有着极大的应用前景，为解决后端能源供应瓶颈提供了新思路。

目前研究发现，生物可降解原电池能量密度高，输出稳定，但是目前能够使用的材料种类非常有限，急需开发新型材料。

生物可降解光伏电池利用光能产生电能，便捷环保，但是植入体内的深度影响光电转化的效率，较大地限制了其应用场景。

生物可降解超级电容器，循环次数高且安全，放电快，但是持续性供能的能力有限。

生物可降解摩擦纳米发电机，植入体内后能够收集人体器官运动的机械能，有着源源不断的能量来源，但因其高电压低电流的固有特性，导致整个器件对于电源管理系统具有依赖性。

因植入生物体内的固有限制，需在较小体积内满足实际要求的电学输出，对以上4种生物可降解电源又提出了新的挑战。

生物可降解能源器件的研究是跨学科、跨专业、高度交叉的研究领域，尚需更多国内外相关科研工作者积极参与。

目前，随着集成电路、材料科学工程和微纳制造技术的进步，植入式瞬态电子器件在不断取得进展。

未来，生物可降解能源器件将在植入式医疗传感与诊断中有着广泛的应用前景。