核心摘要

隨著技術(shù)的進步，有源植入式醫(yī)療器械，被廣泛應(yīng)用于治療各類疾病，如心臟起搏器、心臟復(fù)律除顫器、脊髓刺激器、深層腦刺激器、人工耳蝸、胰島素泵、藥物輸送系統(tǒng)等，這類器械大部分依靠電池供能。

 

植入式醫(yī)療器械和可穿戴電子產(chǎn)品，均屬于生物相容性電子產(chǎn)品，但關(guān)于植入式醫(yī)療器械電池的研究相對較少。對生物相容性電子產(chǎn)品而言，電池尺寸、重量、體積、使用壽命、生物安全性和可靠性，都是重要的考量因素。

 

理想的植入式能源供給器件，應(yīng)具有高能量密度、小植入體積、低感染風(fēng)險和無經(jīng)皮導(dǎo)線的特性。目前，多數(shù)植入式電池，有堅硬的金屬外殼，將有毒/有害化學(xué)物質(zhì)封裝在電極和電解質(zhì)中，防止與身體接觸。這些外殼會產(chǎn)生額外的惰性重量，導(dǎo)致體積更大，能量密度更低，安全性更低。這種電池長期植入人體，也會大大增加感染和炎癥風(fēng)險。

 

因此，有源植入式醫(yī)療器械的一大挑戰(zhàn)便是電池。

 

有源植入式醫(yī)療器械的發(fā)展趨勢，主要圍繞提高安全性、能量密度和使用壽命，實現(xiàn)自充電功能等展開，意在探索低毒性、高可靠性、體積小、更持久、更可靠的新型植入式電池。

 

近年來，有源植入式醫(yī)療器械電池主要研究領(lǐng)域，包括傳統(tǒng)充電電池、固態(tài)電池、能量收集器件和自驅(qū)動等。研發(fā)思路，主要通過特殊的設(shè)計和材料選擇，以確保電池的安全性、生物相容性和長期穩(wěn)定性。研究的重點，包括材料合理性、結(jié)構(gòu)設(shè)計、評估標(biāo)準(zhǔn)、以及柔性、生物安全性和良好性能的驗證，以便更好地滿足實際應(yīng)用和商業(yè)化的要求。

 

植入式電子器件的發(fā)展簡史

圖片來源《中國科學(xué)》

1、傳統(tǒng)充電電池

 

第一個植入式心臟起搏器，使用的是鎳鎘充電電池。隨后，歷時兩年多，鋅汞電池問世。但1972年，鋰電池發(fā)明后，一騎絕塵，顛覆了之前各種類型的充電電池。

 

目前，有源植入式醫(yī)療器械，主要采用鋰電池作為供能系統(tǒng)，其他還包括鋅電池、鎂電池等。

 

1.鋰電池

 

（1）工作原理

 

化學(xué)反應(yīng)：基于鋰離子的移動。在充電過程中，鋰離子從正極材料，移動到負(fù)極材料。在放電過程中，鋰離子從負(fù)極返回正極，通過電解液和隔膜移動。

 

電極材料：正極和負(fù)極材料是關(guān)鍵，決定了電池的能量密度和循環(huán)壽命。植入式醫(yī)療器械電池，必須使用高能量密度材料，如鋰鈷氧化物、鋰鐵磷酸鹽或鋰錳氧化物；負(fù)極一般采用如石墨。

 

電解液和隔膜：電解液是鋰離子移動的介質(zhì)，而隔膜則防止正負(fù)極直接接觸，防止短路。植入式醫(yī)療器械電池，常使用固態(tài)或凝膠電解液，更安全，且不易泄漏。

 

控制電路：為了確保電池的安全和性能，植入式醫(yī)療器械電池常配備有控制電路，如保護電路和電池管理系統(tǒng)，可以監(jiān)控電池的狀態(tài)，防止過充、過放和溫度過高。

 

封裝：植入式醫(yī)療器械電池，需要特殊的生物相容性封裝，以防止人體組織與電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)接觸，并保護電池不受體內(nèi)環(huán)境的侵蝕。

 

（2）應(yīng)用與挑戰(zhàn)

 

20世紀(jì)70年代以來，鋰電池在有源植入式醫(yī)療器械中開始廣泛應(yīng)用。鋰電池使用壽命長達十年，由于具有高能量密度、較長使用壽命和穩(wěn)定的放電特性，鋰電池曾是心臟起搏器的黃金標(biāo)準(zhǔn)。

 

然而，隨著人類壽命延長，當(dāng)有源植入式醫(yī)療器械壽命超過十年時，問題就出現(xiàn)了。當(dāng)電量不足時，需重新手術(shù)進行更換，更換電池頻率比原來要高得多。尤其是高齡人群，更換電池不僅需要昂貴的醫(yī)療費用，還要承擔(dān)手術(shù)風(fēng)險。這些風(fēng)險包括感染、血栓、血管或神經(jīng)損傷、肺萎陷和心臟穿孔。

 

此外，鋰電池的電解質(zhì)有毒性，為了安全起見，通常會采用特殊封裝和保護措施，以確保在人體內(nèi)的安全性。這種嚴(yán)格封裝，導(dǎo)致了體積大，無法原位植入，需要經(jīng)皮導(dǎo)線連接等等，從而易造成感染和設(shè)備故障。

 

盡管，近年來通過不斷努力，實現(xiàn)了鋰電池能量密度的提高和循環(huán)壽命的延長，但因其使用有毒、易燃、高反應(yīng)活性的組件而受到安全限制。與普通鋰電池相比，必須設(shè)計得更小巧、更安全，具有更長使用壽命。

 

2.鋅電池

 

鋅電池作為鋰電池的有力競爭者之一，因其良好的安全性、低成本、高容量和較好的能量密度，在近年來受到關(guān)注。與鋰電池相比，鋅電池安全性優(yōu)勢更為突出。

 

（1）工作原理

 

基于金屬鋅負(fù)極的新興鋅基電池系統(tǒng)，主要包括鋅空氣電池、鋅金屬電池、鋅離子電池和基于其他轉(zhuǎn)換反應(yīng)的電池，如鋅碘電池、鋅溴電池和雙電子鋅錳電池。下圖展示了不同的鋅基電池的原理，儲能機制和優(yōu)缺點。

 

鋅電池工作原理示意圖、儲能機制、優(yōu)缺點

圖片來源：Advanced Materials

 

（2）應(yīng)用和挑戰(zhàn)

 

作為一種新興低成本器件供能技術(shù)，鋅電池由于本征的安全性，在用于生物相容性電子器件時更具競爭力，但生物相容性鋅電池的發(fā)展處于較早階段。由于缺乏成體系的設(shè)計和評估標(biāo)準(zhǔn)，仍面臨不少問題和挑戰(zhàn)。

 

采用鋅金屬作為負(fù)極時，循環(huán)過程中枝晶的生長是鋅電池主要問題之一。然而，這一問題在柔性鋅電池中還鮮有研究。由于電場分布極度不均勻，柔性構(gòu)型中鋅枝晶的生長或更為嚴(yán)重。

 

鋅電池的研究一般采用扣式電池，這種構(gòu)型不符合生物相容鋅電池的設(shè)計原則，受到液態(tài)電解質(zhì)和堅硬不銹鋼外殼的限制。

 

生物相容性鋅電池，由于水凝膠電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率低、電極與電解質(zhì)之間的接觸不良，電池性能受制于較大的阻抗、較差的倍率能力和較低的能量密度。

 

鋅金屬的過量使用，會增加電池的整體重量并加重副反應(yīng)。針對上述問題，研究人員提出了一些優(yōu)化策略，例如在凝膠中引入氧化石墨烯，通過促進離子傳輸來改善水凝膠電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。

 

負(fù)極集流體的使用，是解決鋅金屬過量使用導(dǎo)致的成本增加和副反應(yīng)加劇的可行措施。此外，使用集流體可以提高活性物質(zhì)的利用率，獲得更高的能量密度。

 

3.固態(tài)電池

 

目前，新能源汽車主要采用磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池為主要動力電池。這兩種電池，綜合性能近乎發(fā)揮到了“極限”，在技術(shù)上越來越難有新的突破。

 

液態(tài)鋰電池在充放電過程中，會不可避免地發(fā)生副反應(yīng)，不僅影響電池壽命，同時有機易燃電解液，引起安全問題及自燃問題，引發(fā)對鋰電池安全性的疑慮。

 

固態(tài)電池因其安全性、柔性優(yōu)勢，和使用壽命優(yōu)勢進入研發(fā)視野，同時有望在植入式醫(yī)療器械等微電池領(lǐng)域也得以應(yīng)用。

 

（1）工作原理

 

固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)取代電解液，具備安全性優(yōu)勢。

 

固態(tài)電解質(zhì)主要包括聚合物、氧化物、硫化物三種類型。與電解液相比，固態(tài)電解質(zhì)同時具備不易燃、耐高溫、化學(xué)活性低的特性，此外還具備一定的力學(xué)強度，可以更好的抑制鋰枝晶生長，抵抗外界應(yīng)力沖擊，降低熱失控風(fēng)險，大幅提高電池安全性能。

 

固態(tài)電解質(zhì)能兼容更高比容量正負(fù)極材料，打開能量密度上升空間。與電解液相比，固態(tài)電解質(zhì)具備更高的安全性與更寬的電壓窗口，有望解決高壓正極材料如富鋰錳基、尖晶石鎳錳酸鋰與現(xiàn)有電解液不兼容的問題。

 

固態(tài)電解質(zhì)具備一定結(jié)構(gòu)強度，可以補償負(fù)極材料尤其是硅基材料的體積變化應(yīng)力，也不容易導(dǎo)致鋰損耗，提升硅基材料循環(huán)性能，使硅基負(fù)極向更高硅含量拓展。

 

（2）應(yīng)用和挑戰(zhàn)

 

固態(tài)電池的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，面臨很多挑戰(zhàn)，包括成本、制造工藝和性能優(yōu)化等。此外，固態(tài)電解質(zhì)適配鋰金屬負(fù)極，有望最終實現(xiàn)鋰金屬電池的產(chǎn)業(yè)化。隨著這些問題的解決，固態(tài)電池有望在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

 

2、植入式能量收集器件的發(fā)展

 

從生物和周圍環(huán)境中收集能量為植入式醫(yī)療器械供能具有廣泛的現(xiàn)實意義。

 

植入式能量收集器件的思路是應(yīng)用壓電效應(yīng)、熱能轉(zhuǎn)換、靜電效應(yīng)以及化學(xué)反應(yīng)等多種方法，從人體內(nèi)部或外部環(huán)境收集能量，機械能、熱能、化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，從而為可穿戴或可植入器械進行供電，減少對傳統(tǒng)電池的依賴。

 

生物超級電容和能量采集設(shè)備，指的是利用人體的自然能量轉(zhuǎn)化為電能，自驅(qū)動來為植入設(shè)備供電，理論上能無限期地為設(shè)備提供能量，消除了更換電池的需要。

 

電容器可以提供優(yōu)良的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，但最大的問題是低能量密度和能量效率。

 

植入式能量收集器件在人體的應(yīng)用領(lǐng)域

圖片來源：科匠文化

 

1.納米發(fā)電機

 

近年，納米發(fā)電機已被植入生物體中以收集能量、感測或刺激神經(jīng)和肌肉。納米發(fā)電機可以將機械能轉(zhuǎn)化為電能,主要包括壓電納米發(fā)電機和摩擦納米發(fā)電機。

 

（1）壓電納米發(fā)電機

 

（a)工作原理

 

壓電納米發(fā)電機，是一種利用壓電材料在受到機械應(yīng)力時產(chǎn)生電荷的特性，將環(huán)境中的機械能轉(zhuǎn)換為電能。

 

工作原理基于壓電效應(yīng)，即某些材料在受到機械變形時，其內(nèi)部的正負(fù)電荷中心會發(fā)生相對位移，這種形變會導(dǎo)致材料內(nèi)部的電偶極矩重新排列，在材料的兩端產(chǎn)生電荷，導(dǎo)致材料兩端產(chǎn)生電勢差。這種效應(yīng)是可逆的，即施加電場也可以引起材料的機械變形。通過電極收集這些電荷，就可以輸出電壓和電流。

 

壓電能量收集器使用壓電材料，而電磁振動能量收集器通常包含一個或多個線圈和一個可移動的磁鐵。壓電能量收集器通過將機械壓力或振動轉(zhuǎn)換為電能。

 

（b)應(yīng)用和挑戰(zhàn)

 

壓電納米發(fā)電機，可以設(shè)計成不同的形式，如薄膜型、纖維型或納米線型，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。例如，薄膜型壓電納米發(fā)電機可以集成到衣物中，利用人體的運動產(chǎn)生電能；纖維型或納米線型壓電納米發(fā)電機則可以用于更小型的設(shè)備，如傳感器或植入式醫(yī)療器械。

 

壓電納米發(fā)電機結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

圖片來源：科匠文化

 

（2）摩擦納米發(fā)電機

（a)工作原理

 

摩擦納米發(fā)電機是一種基于摩擦起電和靜電感應(yīng)原理的能量收集裝置，能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)換為電能。

 

工作原理，是利用兩種不同材料之間的摩擦來產(chǎn)生電荷，通過靜電感應(yīng)來收集這些電荷，產(chǎn)生電流。可以用于收集環(huán)境中的機械能，如人體運動、風(fēng)能、水波能等，并將這些能量轉(zhuǎn)換為電能，為小型電子設(shè)備或傳感器提供動力。輸出性能取決于多種因素，包括材料的選擇、表面的粗糙度、接觸面積、運動頻率等。

 

摩擦納米發(fā)電機結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

圖片來源：科匠文化

 

（b)應(yīng)用和挑戰(zhàn)

 

不同的材料通過摩擦起電產(chǎn)生的電量有很大差異，因此需要嘗試各種材料。

 

喬治亞理工學(xué)院納米技術(shù)研究人員制作了類似于微觀城市街區(qū)的立方體網(wǎng)格，類似于竹林的納米線，以及類似于吉薩大金字塔的那種金字塔陣列。這些材料用金字塔陣列覆蓋表面可以將發(fā)電量相比于平板增加五倍。研究人員已經(jīng)在老鼠，兔子和豬身上進行了實驗，測試了起搏器等由呼吸和心跳加速提供電能的植入式裝置。

 

還有研究設(shè)計了摩擦起電的可穿戴設(shè)備，制造了摩擦電布，可以為配置鋰離子電池的柔性腕帶充電。

 

常見的靜電效應(yīng)可以用來為設(shè)備供電。當(dāng)兩種不同材料彼此反復(fù)碰撞或摩擦?xí)r，一種材料的表面可以從另一種材料的表面上奪取電子，積聚電荷，這被稱為摩擦起電現(xiàn)象。摩擦起電的關(guān)鍵優(yōu)點是包括天然材料和合成材料在內(nèi)的幾乎所有材料能夠產(chǎn)生靜電。

 

有研究者構(gòu)建了一種具有自支撐結(jié)構(gòu)、高安全性和高能量存儲能力的生物相容性對稱鈉離子微電池。對稱鈉離子微電池，是由基于鈉離子的雙功能電極和生物相容電解質(zhì)構(gòu)成的。采用靜電紡絲、靜電噴霧、碳化相結(jié)合的方法構(gòu)建了球形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的薄膜電極。靜電紡絲和靜電噴霧技術(shù)的相結(jié)合，使活性物質(zhì)/碳球均勻地加入到碳納米纖維基體中，產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、電子/離子傳輸速度快、負(fù)載量高的電極。

 

2.電磁發(fā)電機

 

電磁能量收集裝置，通常包括一個或多個線圈，這些線圈可以接收外部電磁場產(chǎn)生的能量。外部電源（如無線充電器）產(chǎn)生電磁場，植入體內(nèi)的線圈通過電磁感應(yīng)現(xiàn)象收集能量，并將這些能量轉(zhuǎn)換為電能。電磁振動能量收集器則是通過振動使磁鐵相對于線圈移動，產(chǎn)生感應(yīng)電流。

 

機械腕表的主要部件就是機械傳動系統(tǒng)和電磁發(fā)電機。機械傳動系統(tǒng)中的偏心擺錘可以將物體的水平運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，將機械能持續(xù)儲存到發(fā)條彈簧中。當(dāng)達到機械能的閾值時，彈簧將驅(qū)動產(chǎn)生電脈沖。

 

3.熱電發(fā)電機

 

熱能收集裝置（熱電發(fā)電機），由熱電材料組成，這些材料能夠?qū)囟炔钷D(zhuǎn)換為電能。利用人體內(nèi)部和外部環(huán)境之間的溫度差，通過熱電效應(yīng)產(chǎn)生電能。熱能收集裝置通常需要較大的溫度差，才能產(chǎn)生足夠的電能。

 

人的心臟每年跳動的次數(shù)超過4000萬次，所有這些能量都會轉(zhuǎn)換成身體熱能成為潛在的資源。目前，有研究正在探索用于可穿戴設(shè)備的熱能發(fā)電裝置。

 

人體熱能發(fā)電，面臨著一些主要問題。這種能量轉(zhuǎn)換方式往往依賴于溫度差異，但人體的體溫常常會保持相當(dāng)恒定的狀態(tài)，因此人體內(nèi)部的溫度差異還不足以產(chǎn)生大量電力。但是，如果這些裝置能夠在收集身體體溫的同時，暴露于相對涼爽的外部環(huán)境中的話，就能夠解決問題。

 

4.光電轉(zhuǎn)換器

 

光電轉(zhuǎn)換器，通過皮膚吸收外部光源（如太陽光或特定波長的光）并將其轉(zhuǎn)換為電能。這種方法的能量轉(zhuǎn)換效率，可能受到皮膚對光的吸收和散射的影響。通常包括光電材料，如光電池或有機光伏材料等。

 

5.生物燃料電池

 

（a)工作原理

 

體內(nèi)葡萄糖的氧化還原反應(yīng)包含大量可用化學(xué)能量。生物燃料電池是一種利用生物酶催化有機物質(zhì)氧化還原反應(yīng)來產(chǎn)生電能的裝置，其通過酶和身體內(nèi)的能量儲存分子（例如血液中的葡萄糖）之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力，或者是汗液中分泌的乳酸，可以將體內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能提供能量。例如，從真菌中提取的纖維乙糖脫氫酶可以分解葡萄糖，并在納米碳管中產(chǎn)生電流。

 

生物燃料電池具有高選擇性：由于酶對特定底物的高選擇性，可以有效地利用特定的生物質(zhì)燃料。其次，它的操作條件溫和，酶促反應(yīng)通常在溫和的溫度和pH條件下進行，這使得其適合在生物相容的環(huán)境中使用。此外，還具有環(huán)境友好性，使用生物降解的酶和燃料，對環(huán)境的影響較小。

 

生物燃料電池也面臨一些挑戰(zhàn)，包括酶的穩(wěn)定性和活性、燃料的供應(yīng)和擴散限制、以及電極材料和電解質(zhì)的優(yōu)化等。這些挑戰(zhàn)限制了實際應(yīng)用，隨著生物技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，問題正在逐步得到解決。

 

法國科學(xué)家創(chuàng)造了一種基于酶涂層碳納米管的生物燃料電池，其體積大約只有半茶匙，當(dāng)植入老鼠體內(nèi)時，可以通過與血糖反應(yīng)產(chǎn)生足夠的電力，為LED或數(shù)字溫度計供電。

 

酶的選擇可能會很棘手。研究中都發(fā)現(xiàn)葡萄糖氧化酶可以在植入實驗小鼠的生物燃料電池中產(chǎn)生電力，但該酶也會產(chǎn)生過氧化氫（一種常見的漂白劑成分），這可能會惡化設(shè)備的性能，并且會對身體產(chǎn)生傷害。

 

（b)應(yīng)用和挑戰(zhàn)

 

2023年5月，南京大學(xué)課題組開發(fā)設(shè)計了一種可在體內(nèi)工作的植入式鋅氧氣電池。鋅氧氣電池在放電過程中通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，同時生成對人體無害的副產(chǎn)品。可以原位集成在神經(jīng)導(dǎo)管上，通過電刺激促進施旺細(xì)胞的增殖和神經(jīng)營養(yǎng)因子的釋放，促進長節(jié)段受損神經(jīng)的再生。

 

植入式鋅氧氣電池的結(jié)構(gòu)

圖片來源：Advanced Materials

 

鋅氧氣電池的正極是碳納米管/鉑復(fù)合薄膜，負(fù)極是鋅絲。正負(fù)極固定在管狀的取向聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)膜上，外層包裹多孔PLGA薄膜以提供力學(xué)支撐。鋅氧氣電池利用體液作為電解液，利用體內(nèi)的氧氣實現(xiàn)放電。

 

2024年3月， Cell Press旗下期刊Chem期刊上，刊登了天津理工大學(xué)研究人員設(shè)計的一種植入式電池，也可以依靠體內(nèi)的氧氣運行。

靠氧氣運行的植入式電池

圖片來源：Chem

4、未來趨勢

 

有源植入式醫(yī)療器械的電池技術(shù)，正朝著多方向發(fā)展，以提高設(shè)備的安全性、持久性和功能性。

需要考慮的因素很多：有效利用活性物質(zhì)和降低電池電阻，以實現(xiàn)更高的能量密度和功率密度；負(fù)極問題入枝晶、腐蝕、析氫和鈍化，正極問題如正極溶解、結(jié)構(gòu)崩塌和穿梭效應(yīng)等也應(yīng)引起足夠重視。未來，在設(shè)計中需要重點考慮以下原則：

 

（1）水凝膠電解質(zhì)的基體材料：作為必不可少的組分之一，水凝膠的研究不能只關(guān)注電解質(zhì)溶質(zhì)成分的改性和添加劑，而應(yīng)更注意設(shè)計具有高導(dǎo)電性、柔韌性和粘滯性的水凝膠。

 

（2）集流體的合理設(shè)計：為了實現(xiàn)柔性和提高電極電子導(dǎo)電率，正負(fù)極都可以使用集流體。因此，應(yīng)該著重考慮集流體的材料和結(jié)構(gòu)等優(yōu)化。

 

（3）系統(tǒng)的性能評估：柔性評估標(biāo)準(zhǔn)的差異，阻礙了不同電池之間的性能對比，應(yīng)用參數(shù)來描述柔性電池的彎曲狀態(tài)，建立統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)。

 

（4）嚴(yán)格的生物相容性驗證：對于植入式器件，必須考慮安全性和穩(wěn)定性，事先進行動物實驗驗證，同時，穩(wěn)定性不應(yīng)只通過循環(huán)穩(wěn)定性來表征，對半永久植入式器件來說體內(nèi)穩(wěn)定性可能更為重要。

 

（5）各種器件的耦合：生物相容性電池與目標(biāo)器件的耦合應(yīng)受到重視，使不同部件協(xié)調(diào)運行的過程中可能會出現(xiàn)更多的問題，阻礙了商業(yè)化進程。

 

隨著科技的進步和跨學(xué)科研究的深入，未來的電池解決方案，將更加多樣化和高效化。這些進展不僅可能降低植入式器械的維護頻率和患者的不適感，還可能擴展這些設(shè)備在臨床上的應(yīng)用范圍和有效性。

 

雖然，很多先進的理念設(shè)備目前尚處于概念驗證階段，沒有上市。但預(yù)測不到十年就會市場化。在未來，能量采集設(shè)備會變得更適用于人體。