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來(lái)源: DeepTech深科技 近日，蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授蘭偉課題組聯(lián)合美國休斯頓大學(xué)教授余存江和蘭州大學(xué)基礎醫學(xué)院教授王凱榮，研究了一種輕薄、柔性的全生物可降解超級電容器植入物。它兼具高能量密度和高功率密度。該器件全部由綠色、安全、生物相容性的材料構成，工作任務(wù)完成后可在生物體內完全降解被吸收，經(jīng)自然新陳代謝排出體外，無(wú)需二次手術(shù)移除，具有安全、健康、避免手術(shù)痛苦和降低醫療成本等特點(diǎn)。該研究成果以《柔性、可降解、可體內吸收的植入式高性能超級電容器》發(fā)表在《科學(xué)—進(jìn)展》上。 
植入式醫療電子器件得到了快速發(fā)展和廣泛關(guān)注，有望實(shí)現健康的實(shí)時(shí)監測與精準診療。目前其能量供應主要依賴(lài)于植入式一次電池，它會(huì )占據整個(gè)器件的大部分質(zhì)量和體積，在電池耗盡或工作結束后需要通過(guò)二次手術(shù)去替換或移除。通常，在植入前需要對其外部進(jìn)行嚴格的剛性封裝和生物相容性處理來(lái)避免電池中包含有毒或有害物質(zhì)進(jìn)入。 在這樣的背景下，專(zhuān)家們提出多種植入式能量供應替代方案，包括植入式能量捕獲裝置（如葡萄糖生物燃料電池、納米發(fā)電機等），無(wú)線(xiàn)電力傳輸技術(shù)（如電感耦合/射頻、光伏/超聲誘導等），但這些器件具有一定的缺陷，如不可生物降解性、機械剛性（與軟組織不相容）和較大的外形尺寸，從而限制了其作為生物降解電源的應用。
圖丨可變形、完全生物降解的超級電容器植入物（來(lái)源：Science Advances） 蘭州大學(xué)柔性電子科研團隊采用簡(jiǎn)單、綠色、可控的電化學(xué)氧化策略在水溶性金屬鉬箔表面原位生長(cháng)了一層富缺陷的非晶氧化鉬（MoOx）微納米片陣列，以實(shí)現其用作贗電容活性電極，以生物相容的海藻酸鈉（Alg-Na）水凝膠作電解質(zhì)，實(shí)現組裝成對稱(chēng)固態(tài)超級電容器植入物。
圖丨電極的形貌結構表征以及降解性能（來(lái)源：Science Advances） 對 MoOx 電極在電化學(xué)過(guò)程中存在的儲能機理進(jìn)行了理論分析，除電解質(zhì)離子在表面以及近表面的吸/脫附之外，還依賴(lài)于離子在晶格層間/層內的插入/脫出。所制備的全生物可降解超級電容器植入物展示了優(yōu)異的電化學(xué)儲能特性，其面電容為 112.5 mF cm-2，能量密度為 15.64 μWh cm-2，功率密度為 2.53 mW cm-2。在進(jìn)行數百次的不同角度之后，由于器件的能量密度同比高出 2 個(gè)數量級，并未發(fā)現明顯的能量衰減現象。單個(gè)器件的電壓可達 1V 甚至更大，并對各類(lèi)商用電子器件通過(guò)器件串并聯(lián)進(jìn)行供能。
圖丨全生物可降解超級電容器植入物的儲能機理、柔性以及電化學(xué)性能表征（來(lái)源：Science Advances） 利用 MTT 比色法對器件所用材料進(jìn)行了細胞毒性的評估，結果證實(shí)電化學(xué)氧化制備的 MoOx 微納米片和 Alg-Na 電解質(zhì)具有較高的生物相容性。器件封裝后，在模擬體液環(huán)境（37 ℃，0.1 mM PBS 溶液）中可以有效工作 30 天，任務(wù)完成后會(huì )完全降解。將器件植入到 SD 大鼠背部皮下六個(gè)月后，通過(guò)新陳代謝被完全吸收，期間未觀(guān)察到嗜中性粒細胞和明顯的炎癥。
圖丨全生物可降解超級電容器植入物的生物相容性和生物可降解性評估（來(lái)源：Science Advances） 該研究通過(guò)一步綠色可控的電化學(xué)氧化法在水溶性鉬箔表面原位地生長(cháng)了二維富缺陷的非晶 MoOx 微納米片，將其作為自支撐的贗電容活性電極。所制備的超級電容器植入物展示了良好的柔性、高的能量密度和功率密度，通過(guò)合適的封裝策略實(shí)現了器件在生物體外和體內的正常工作，工作壽命長(cháng)短可調，且對生物體不產(chǎn)生任何不良的反應。具有快速充放電、功率密度高和長(cháng)壽命等特點(diǎn)的超級電容器，為有源的植入式醫療電子器件進(jìn)行供能提供了可能性，被認為是一種理想的儲能裝置。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(tài)電子器件的供能問(wèn)題提供解決方案。 -End- 參考： https://doi.org/10.1126/sciadv.abe3097 |
