研究内容

高端有源医疗装备技术展了解到，鉴于高能量密度和易于部署的优势，生物可降解的原电池系统作为实现生物可吸收电子医学的有前景的电源，以消除设备回收所需的二次手术，仍然具有巨大的潜力。然而，目前可用的生物电池受限于操作寿命、生物相容性和生物降解性，这限制了临时植入物可能的治疗效果。因此，我们提出了一种全生物可降解的锌–钼（Zn-Mo）原电池系统，其功能寿命长达19天，并且与已报道的锌原电池相比，具有理想的能量容量和输出电压。实验结果表明该Zn-Mo电池系统具有出色的生物相容性和生物降解性。并且能够显著促进Schwann细胞的增殖和脊髓神经节轴突的生长。采用4个锌–钼电池串联、使用明胶电解质的可生物降解电池模块，通过电化学生成信号分子（一氧化氮，NO）实现对细胞网络行为的调节，其效能与传统电源相当。这项工作揭示了材料策略和制造方案，用于开发高性能可生物降解原电池，以实现全生物可吸收电子平台，为创新医疗治疗提供可能，从而对健康护理有益。

 

研究背景

生物可降解电子药物是一种新兴的设备平台，旨在调节器官功能和改善治疗效果，且可在治疗结束后安全降解，避免了二次手术的必要。目前已展示的系统包括生物可降解的心脏起搏器、促进神经再生的设备以及用于软骨再生的压电刺激器等。生物可降解供电组件是实现小型化和功能性系统的关键挑战。为此，提出了几种策略，包括生物可降解的能量存储系统（如电池和超级电容器）、感应耦合的能量传输设备以及光电技术的能量收集设备。

 

特别是生物可降解一次性电池受到关注，因为它们可以在操作时间框架后消除不必要的材料保留，并避免潜在的危险成分。可生物降解的电池通过使用生物相容性和可降解的材料实现，镁、锌、钼等金属被考虑作为电极材料。锌作为阴极材料具有较高的理论容量和生物相容性，然而其在水性电解质中的反应性限制了其操作寿命。

 

为延长锌生物电池的功能窗口，作者开发了一种由锌阴极和钼阳极组成的完全可生物降解的电池系统。经过优化的锌电极在水溶液中表现出较长的放电寿命，并且在生物环境中展现出良好的生物相容性和可生物降解性。该锌–钼电池不仅提供电力，还促进细胞增殖和轴突生长，并可以调节细胞行为，显示出在电子医学中的潜在应用前景。

 

研究结果

图1. 全生物可降解主锌–钼（Zn-Mo）电池的示意图。电池由钼颗粒电极作为正极，通过乙酸烧结的锌颗粒电极作为负极，以及正常的盐溶液或水凝胶作为电解质组成。Zn-Mo电池提供的电场可以刺激脊髓神经节（DRG）的生长。将Zn-Mo电池串联可以提高输出电压，并驱动电化学反应产生如一氧化氮（NO）等信号分子，以调节细胞行为。

 

图2. 全可降解锌–钼原电池的电极材料和放电特性。 (a) 室温烧结前后锌电极的扫描电子显微镜（SEM）图像。  (b) 锌电极的横截面SEM图像。  (c) 钼电极的横截面SEM图像。插图表示钼电极的放大视图。  (d) 基于箔片和烧结颗粒的锌–钼电池的放电行为。  (e) 不同电流密度下具有烧结颗粒电极的锌–钼电池的放电行为。  (f) 电流密度为5 μA/cm2时，具有烧结颗粒电极的锌–钼电池的长期放电行为。  (g) 在37°C下，pH 7.4 PBS中浸泡不同阶段后的锌–钼电池溶解情况。

 

图3. 串联连接的全生物降解主Zn−Mo电池及其性能。 (a) 以明胶作为电解质，将4个Zn−Mo电池串联集成（Zn−Mo电池模块）的工艺示意图。  (b) 串联连接的Zn−Mo电池模块的照片。  (c) 由4个串联的Zn−Mo电池供电的蓝色LED（阈值电压约为2.3 V）。  (d) 明胶作为电解质时，串联连接的Zn−Mo电池的放电行为。放电电流：40 μA/cm2。

 

图4. 主要Zn−Mo电池对DRG和Schwann细胞生长行为的影响。 (a) 控制组中培养3天后Schwann细胞的生长行为。  (b) Zn−Mo组中培养3天后Schwann细胞的生长行为。  (c) 使用CCK-8测试进行的Schwann细胞增殖试验。  (d) DRG与Zn−Mo电池共培养的示意图。  (e) 控制组中7天培养后的DRG的共聚焦显微镜图像。  (f) Zn−Mo组中7天培养后的DRG的共聚焦显微镜图像。  (g) DRG控制、Mo、Zn和Zn−Mo组平均轴突长度的统计分析结果。数据表示为均值±标准差；每组独立实验3次。使用SPSS软件包（版本23.0）进行统计分析，随后进行单因素方差分析（ **P < 0.01,** *P < 0.001）。  (h) 细胞培养基中Zn释放的ICP-MS分析结果。  (i) 细胞培养基中Mo释放的ICP-MS分析结果。

 

图5. 由可生物降解的Zn−Mo电池模块（4个串联单元）驱动的电化学NO生成。 (a) 通过NO介导的TRPV1介导的Ca2+流入的示意图。 (b) 在DEA NONOate（10 mM）注入下，表达TRPV1的HEK 293T细胞（TRPV1+）的Ca2+响应的时间延时图像。 (c) 通过Zn−Mo电池模块实现的电化学NO递送示意图。 (d) Zn−Mo电池模块驱动的电化学NO生成。 (e) TRPV1+细胞（每种条件下的50个细胞）单个GCaMP6s荧光迹线：(i)没有NaNO（–），提供-1.6 V电场；(ii)没有NaNO 2 2（–），由Zn−Mo电池模块提供的电场；(iii)有10 mM NaNO（+），提供-1.6 V电场；(iv)有10 mM NaNO（+），由Zn−Mo电池模块提供的电场。电场在300 s时应用（白色虚线）。 (f) TRPV1+细胞最大荧光强度的统计结果。使用SPSS软件包（版本23.0）进行统计分析，随后进行单因素ANOVA（ ***P < 0.001）。

 

图6. 锌–钼电池的生物相容性和生物降解性研究。 (a) 不同降解阶段（12周内）SD大鼠皮下区域植入锌–钼电池后的电池图像。  (b) 12周后，SD大鼠体内植入锌–钼电池的3D渲染CT图像（红色虚线表示植入位置）。  (c) 染色组织图，显示植入区域周围组织情况；独立实验n=3。

 

研究结论

在本工作中，我们提出了一种全生物可降解的锌–钼原电池，其阳极电极基于烧结纳米粒子，而正常盐水或明胶凝胶作为电解质。该电池具有完全降解、延长的操作寿命（长达约19天）以及理想的输出电压（高达约0.7 V）和能量容量（>1500 μWh），与已报道的锌生物电池相比具有优势。锌–钼电池的组成材料在体内外均表现出优异的生物相容性和生物可降解性。全生物可降解的锌–钼电池被证明能促进施万细胞的增殖和DRG轴突生长。

 

通过引入明胶电解质，并将4个锌–钼电池串联，实现了一个具有增强电压（高达2.3 V）的全生物可降解电池模块。成功实现了生物可降解电池模块作为电化学NO生成的电源，并能调节细胞网络的行为，其效能与传统电源相当。

 

本工作中提出的材料策略和制备方案为全生物可吸收能量设备的发展奠定了基础，有望推动创新、可生物降解和自供电电子医疗的发展。未来值得关注的方向包括探索电压和工作时间范围更广泛的可生物降解原电池，实现自供电药物递送的完全植入平台，集成智能开关以实现按需电场，以及整合多种电解生产能力的药物源等。生物可吸收能量设备在电子医疗领域的进步，有可能在提出新兴疾病治疗方案和满足未满足的临床需求方面具有巨大潜力。

 

推荐理由

该电池系统在短期植入电子设备如心脏起搏器、神经刺激器等方面具备重要应用前景。引入明胶电解质提高了电池性能，电化学生成NO则为神经系统疾病提供了新治疗方案。这项研究突破了可降解电池的寿命和电压瓶颈，推动生物可降解电源技术在临床应用中的发展。

 

文章来源： 知行剑侠

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医疗电池