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高端医疗器械展|AFM | 植入式设备电源的未来：具有生物相容性的超级电容器

2024-06-29

几乎所有植入式电子医疗设备（IEMD）都由笨重的锂离子电池（LIB）供电，这限制了它们的小型化和使用寿命的提高。此外，锂离子电池含有有毒物质和易燃电解质，如果泄漏到人体器官中，就会很危险。在这种情况下，迫切需要探索新的方法和概念，以解决设计新型电化学储能系统的关键挑战，并从机理上理解不同场景中发生的现象。

6月25日，发表在Advanced Functional Materials的综述文章汇报了生物相容性超级电容器（B-SC）作为各种IEMD电源的最新进展，为这些挑战提供了潜在的解决方案。简要讨论了不同类型的 IEMD 及其功率要求，以及储能系统及其在 IEMD 中的应用所带来的挑战。鉴于电极材料在决定B-SCs在能量和功率密度方面的电化学性能方面的重要性，文章系统地综述了不同的电极材料及其发展。最后，对下一代B-SC合理设计的潜在机会和未来前景提出了新的见解。

图片来源：医工学人

在过去的二十年里，各种植入式电子医疗设备（IEMD）被发明出来，高端医疗器械展如传感器、心脏起搏器、植入式心律转复除颤器、人工耳蜗和刺激器，而这些IEMD已经作为人工治疗和诊断工具嵌入人体的各个部位。IEMD通常被定义为通过手术或医学方式部分或全部引入人体并打算在手术后保留在那里的医疗设备。据报道，近 8-10% 的美国人口和工业化国家 5-6% 的总人口已将 IEMD 植入体内，以提高生活质量或延长寿命。

IEMD 由各种电子元件组成，例如集成电路（IC）、传感器和电池等电源和生物燃料电池。IEMD的电源是定义其在人体中工作寿命的重要组成部分。但是生物燃料电池仍处于起步阶段，锂离子电池的毒性和易燃性对人体有害且寿命有限。这意味着IEMD需要迫切解决这一重要挑战：需要一种先进且安全的储能系统来为生物医学设备提供长时间的恒定电力。

与可充电电池相比，超级电容器（SC）具有高功率能力、长循环寿命、低内阻、低成本、无毒和低维护等优点，最近受到研究界的广泛关注。通常，SC的电化学参数与不同的组分及其理化特征有关，包括用于制备电极的材料类型、孔隙率、比表面积、电导率和电解质。最近有几项工作研究了可穿戴和便携式设备，特别关注电极和电解质材料以及 SC 的电池设计。

1 植入式电子医疗设备、功能及电源要求

文章主要讨论了一些用于医疗的主要 IEMD、它们的必要性、功能以及平稳运行所需的功率

图 1. 植入式电子医疗设备、功能及电源要求 a）显示不同IEMD及其功率要求的原理图;b）储能系统在IEMD中有效应用的基本要求，c）锂离子电池、双电层电容器和伪电容器的示意图及其电荷存储机制的差异。

图片来源：医工学人

心脏起搏器是一种植入胸部锁骨附近的皮肤下的医疗设备，用于调节心跳。高端医疗器械展用于治疗心律异常（也称为心律失常）的人，起搏器有助于确保心脏稳定而有规律地跳动。起搏器的主要功能是向心肌发送电脉冲，然后刺激心脏收缩和泵血。起搏器由脉冲发生器和导线组成。脉冲发生器包含一个电源和调节电脉冲的电子电路。导线是在脉冲发生器和心肌之间传输电信号的绝缘线。为了避免与导联相关的系统故障，还探索了无导线心内起搏器。然而，无导线起搏器系统对电池的依赖性仍然是一个主要问题。为了在正常运行条件下正常工作，起搏器需要来自不同储能设备的 3 至 100 μW 功率。

神经刺激器，也称为植入式脉冲发生器（IPG）或植入式神经刺激器（INS），是一种复杂的医疗设备，旨在向特定神经或大脑区域提供治疗性电刺激。电池的重要性在于它能够长时间维持神经刺激器的功能，确保一致和可靠的治疗。因此，电池组件的选择和工程设计对于确保神经刺激疗法的整体疗效和安全性至关重要，凸显了其在这项先进医疗技术中不可或缺的作用。神经刺激器通常使用高达 50μW 的功率来提供刺激。

人工耳蜗旨在为重度至极重度听力损失患者恢复听力。高端医疗器械展的电池是人工耳蜗的内部组件供电，提供必要的能量来刺激听觉神经并实现声音感知。根据型号的不同，人工耳蜗电池可以是可充电的，也可以是一次性的。无论哪种类型，电池的可靠性和寿命对于确保人工耳蜗接受者的听力功能不间断至关重要，使其成为这项改变生活的技术的基本组成部分。该器件需要 10 至 40 mW 的功率进行听觉刺激、处理和传输。

膀胱压力慢性监测系统是先进的医疗设备，用于连续监测各种膀胱功能障碍患者的膀胱内压，例如膀胱过度活动症或神经源性膀胱。电池的重要性在于它能够为长时间的持续监测提供可靠的电源，确保准确和连续地测量气囊压力。根据系统的设计，电池可以是可充电的，也可以是一次性的，同时考虑使用寿命、能源效率和患者舒适度。电池组件在膀胱压力慢性监测系统中是不可或缺的，支持设备的功能并促进膀胱相关疾病的有效管理。这种生物设备需要 3.5 到 10 mW 的外部能量来测量不适当的膀胱状况。

眼部植入物通过手术植入人眼，使人们能够以正常的视力看到图片。眼部植入式设备可恢复缺乏光感受器的盲人的视力。此类设备需要 40 到 100 mW 的功率来转导光。

2 IEMD对储能系统的要求

生物相容性：储能系统的生物相容性是一个至关重要的考虑因素，尤其是在系统可能遇到生物体或植入人体的应用中。生物相容性是指材料或设备在不对活组织造成伤害或不良影响的情况下执行其预期功能的能力。
安全性与可靠性：IEMD 必须承受不断变化的生物环境，例如压力、压力、温度和体液。因此，IEMD必须牢固地附着在身体的器官上。同时能够在一些极端环境下工作，在指定的时间内不会出现任何泄漏或短路，以保护人体免受不利影响或感染。
小尺寸：IEMD被移植到人体的特定器官或皮下组织中，空间很小。在这种情况下，IEMD 的尺寸应尽可能小且重量轻，以减少 IEMD 对周围组织、肌肉和器官施加的压力，并最大限度地减少用户的负担。
长寿命：持久耐用的稳定性能始终是所有应用储能系统的关键问题，并且始终期望开发的储能系统能够长时间工作，以控制维护成本并克服原材料短缺的问题。
具有所需能量密度的稳定电压输出：储能系统应提供稳定的电压输出，以确保植入物内电子元件的正常运行。

3 良好生物相容性的超级电容器

主要讨论碳基电极材料、氧化还原活性电极材料及复合电极材料的超级电容器研究进展

图2. 碳基电极材料 a）利用亲水性CNT纤维作为生理流体中的两个电极，开发的B-SC示意图;b–d）亲水性碳纳米管的SEM图像;e）不同氧等离子体处理的亲水碳纳米管上氧的窄扫描X射线光电子能谱;f）不同氧等离子体处理的亲水性碳纳米管的拉伸强度;g）相应的水接触角图像。h）在电流密度为0.5 A cm的生理流体电解质中，不同氧等离子体处理的亲水性碳纳米管的充放电曲线比较−3;i）含10.8重量%氧的B-SC在超过10 000次循环中的循环稳定性，充放电循环见插图;j）血清和血液环境中 10.8 wt% 含氧 B-Sc 的充放电曲线。

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图3. 耐用、高能量的植入式 B-SC，在基于体液的电解质系统中具有无粘合剂电极 a） B-SC在体液电解质中带有Ox-SWCNT电极的示意图;b）显示蒲公英头部 B-SC 轻巧小特征的光学照片;c）将 B-SC 植入小鼠并评估其生物相容性和长期电化学稳定性六个月。d） SWCNT 和 e） Ox-SWCNT 的 SEM 图像以及 f） SWCNT 和 g） Ox-SWCNT 的相应 TEM 图像。

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图4. 氧化还原活性电极材料 a） SC电池示意图;b）使用聚乳酸（PLA）支撑底物、PLA 纳米柱阵列、自组装氧化锌纳米多孔层和聚乙烯醇/磷酸盐缓冲溶液（PVA/PBS）水凝胶开发 SC 的实验步骤;c） PLA和NP-PLA薄膜的AFM形貌;d） SC细胞的SEM图像。SC电池的电化学性能：e）CV曲线和f）充放电曲线。g） SC在PBS中在37°C下的生物降解性。

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图5. SC生物相容性测试 a） SC成分的生物相容性研究：L929细胞在不同时间的附着、增殖和形态变化。比例尺：100μm。b）示意图显示植入 SD 大鼠的 SC;c）两周后和五个月后植入部位伤口的光学图像;d）不同天数后测量的植入 SC 的 CV 曲线;e）相应的电容值。f，g）六个月后从植入部位切除的组织进行苏木精和伊红（H&E）染色。h） SC 的显微 CT 图像显示其在 SD 大鼠中逐渐生物降解。图像使用伪彩色技术进行重建和处理。植入的 SC 的尺寸为 1.5 厘米× 1.5 厘米× 1 毫米。

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图6. 复合电极材料 a）由 MnO 组成的植入 SC 细胞的示意图2/MWCNT正极和磷酸盐活性炭阳极，带有纤维素分离膜;b）在哺乳动物和太阳能电池中植入 SC 的照片;c）使用太阳能在 2 mA 电流下植入的 SC 的充放电曲线;d）在 0.2 至 1.0 V 的电位范围内，在 10 mA 电流下进行 1000 次循环的循环测试结果。3-（4,5-二甲基噻唑-2-基）-2,5-二苯基特拉唑溴化物（MTT）测定MWCNTs，MnO的毒性2NP 和 MnO2/MWCNT 复合 e） COS-7 和 f）成纤维细胞。MTT实验的范围为0–100 μg mL−1浓度并确认 MnO2/MWCNT复合材料表现出最低的细胞毒性。

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4 结论与展望

高端医疗器械展与目前的锂离子电池技术相比，SC被证明是一种更适合IEMD应用的能源，因为它们具有许多众所周知的功能特性，如高功率能力、长循环寿命、紧凑的尺寸、安全性和生物相容性。在最近的研究中，已经开发并测试了不同的电极材料和电解质，用于 B-SC，具有出色的电化学性能以及体内和体外生物相容性。尽管取得了这些进展和令人鼓舞的结果，但 SC 在 IEMD 中的实际应用仍处于考虑的早期阶段，这促使人们为实际的 IEMD 实施做出广泛的努力。图 7显示了一个示意图，总结了 B-SC 的未来研发（R& D）工作方向，这些工作将为高级 IEMD 提供动力。它们包括高功率和能量密度、在生物环境和极端温度下稳定的长期性能、增强的电压水平、降低的自放电率、器件小型化和更低的成本。