蘭州大學柔性電子科研團隊在生物可降解儲能器件研究領域取得重要進展

日期: 2021-01-18 閲讀: 來源: 關鍵詞:

植入式醫療電子器件近年來備受關注,有望實現健康的實時監測與精準診療。目前其能量供應主要依賴於植入式一次電池,它會佔據整個器件的大部分質量和體積,在電池耗盡或工作結束後需要通過二次手術去替換或移除。由於電池中包含有毒或有害物質,在植入前需要對其外部進行嚴格的剛性封裝和生物相容性處理。基於此背景,多種植入式能量供應替代方案被提出,包括植入式能量捕獲裝置(如葡萄糖生物燃料電池、納米發電機等),無線電力傳輸技術(如電感耦合/射頻、光伏/超聲誘導等),但這些方案目前存在不可降解、機械剛性、尺度大、能量低等各種弊端,嚴重限制了在生物可降解醫療電子器件中的使用。因此,實現具有輕薄、柔性、小尺寸、全生物可降解的能量供應方案一直是個巨大挑戰。

近日,蘭州大學物理科學與技術學院蘭偉教授課題組聯合美國休斯頓大學餘存江教授和蘭州大學基礎醫學院王凱榮教授,研究了一種輕薄、柔性的全生物可降解超級電容器植入物,兼具高的能量密度和功率密度。該器件全部由綠色、安全、生物相容性的材料構成,工作任務完成後可在生物體內完全降解被吸收,經自然新陳代謝排出體外,無需二次手術移除,具有安全、健康、避免手術痛苦和降低醫療成本等特點。該研究有望為下一代生物可降解植入式醫療電子器件或其它瞬態電子器件的供能問題提供能量解決方案。

超級電容器具有快速充放電、功率密度高和長壽命等特點,可為有源的植入式醫療電子器件進行供能,被認為是一種理想的儲能裝置。蘭州大學柔性電子科研團隊採用簡單、綠色、可控的電化學氧化策略在水溶性金屬鉬箔表面原位生長了一層富缺陷的非晶氧化鉬(MoOx)微納米片陣列,將其用作贗電容活性電極,生物相容的海藻酸鈉(Alg-Na)水凝膠作為電解質,組裝成對稱固態超級電容器植入物。封裝後的器件可在模擬體液環境(37℃,0.1 mM PBS溶液,PH = 7.4)中有效工作長達一個月,且實現了工作壽命的長短可控。器件的能量密度同比高出2個數量級,在不同角度持續彎曲數百次之後,未發現明顯的能量衰減。通過器件串並聯可為各類商用電子產品進行供能。將該器件植入到Sprague-Dawley(SD)大鼠皮下能正常工作,任務完成之後的半年內,通過一系列水解反應和新陳代謝被自然吸收,對生物體不產生任何不良反應。

該研究成果以“A thin, deformable, high-performance supercapacitor implant that can be biodegraded and bioabsorbed within an animal body”為題於2021年1月8日發表在Science Advances上。蘭州大學為第一完成單位,物理科學與技術學院蘭偉教授為論文的第一通訊作者,美國休斯頓大學餘存江教授和蘭州大學基礎醫學院王凱榮教授為論文的共同通訊作者。蘭州大學物理科學與技術學院博士生盛鴻偉為論文的第一作者,蘭州大學基礎醫學院博士生周靜靜為論文的共同一作。本研究得到了國家自然科學基金、甘肅省自然科學基金以及青海省國際合作項目等的共同資助。

原文鏈接://advances.sciencemag.org/content/7/2/eabe3097.

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編輯:陳柄霖
責任編輯:許文豔

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