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复旦大学彭慧胜教授团队开发出可注射植入的柔性纤维电池
2021-01-21  来源:高分子科技

  近年来,可植入式电子器件取得了飞速的发展,它们能够实现精准的在体健康监测和调控、疾病治疗和人工增强等功能,未来将会有越来越多的电子器件被植入体内。因此,发展出与之相匹配的供能系统是至关重要的。到目前为止,电池仍然是可植入式电子器件的主要能量来源。然而,目前的可植入式电池大多都采用有毒且易燃的有机电解质,当它们被植入体内后存在潜在的安全隐患。此外,现有的可植入式电池通常是刚性、块状的,其机械性能与柔软的生物组织不匹配,导致它们只能被植入到皮下组织等有限区域,从而避免对重要组织(如大脑、心脏)的损伤。因此,亟需发展出兼具高安全性和优异柔性的可植入式电池,从而更好地满足可植入式电子器件的供电需求。


  近日,复旦大学彭慧胜教授团队报道了一种生物相容的可注射式柔性纤维电池,该电池使用碳纳米管复合纤维作为电极,具有优异的柔性和生物相容性。无需封装的纤维电池可以通过注射器注射的方式,微创地植入到体内的不同部位,并且在体内展现出高达78.9 mW·cm-3的功率密度,可以有效驱动多种可植入式电子器件。该可注射纤维电池能够被注射到小鼠的大脑、心脏和皮下组织中,并展现出了优异的电化学性能。研究成果以“Injectable fiber battery for all-region power supply in vivo”为题,发表在国际期刊J. Mater. Chem. A上,被选为“Hot Paper”。


图1. 可注射纤维电池的原理示意图


  可注射纤维电池可以直接利用体内的体液作为其电解质,通过体液中含有的钠离子的嵌入和脱出,实现能量的存储和释放。可注射纤维电池具有低的内应力和弯曲刚度,展现出了优异的柔性,能够与天然生物组织之间形成稳定的界面接触和界面相互作用。


图2. 可注射纤维电池的结构表征和柔性表征


  将纤维电池注射植入到小鼠体内30天后,没有发现明显的免疫排斥反应,证明该可注射纤维电池没有明显的毒副作用,具有优异的生物相容性和可靠性。


图3. 可注射纤维电池的生物相容性研究


  得益于其不封装和一维的电池结构,该纤维电池可以通过注射器注射的方式,微创地植入体内,并利用体液作为其电解质,实现了优异的充放电性能。其在小鼠体内的功率密度高达78.9 mW·cm-3,能够有效驱动多种可植入式电子器件,并能够在体内实现100次的循环充放电。


图4. 可注射纤维电池在小鼠体内的电化学性能研究


  可注射纤维电池在小鼠的皮下、心脏和大脑中,都表现出了优异的电化学性能。该纤维电池被注射到了小鼠的皮下组织中,并能够为体内的传感器提供电能,从而实现了在体呼吸监测的功能。因此,该新型可注射纤维电池有望解决未来人体不同部位的可植入式电子器件的供电需求。


图5. 可注射纤维电池在体内不同部位的电能供应


  综上所述,作者报道了一种新型可注射且可充电的纤维电池,该电池具有优异的柔性,能够实现体内多部位的电能供应。与通过手术过程植入的传统电池相比,该纤维电池的注射植入法更加高效且几乎是无创的,可以极大地减轻病人的痛苦、降低潜在健康风险和二次发病率。与现有植入式电池相比,该新型可注射纤维电池具有诸多优点,有望能够促进多个领域的发展,例如大脑内的信息检测。该可注射纤维电池也为新一代可植入式电子器件的设计提供了新的思路。


  文献链接Zhao, Y.; Mei, T.; Ye, L.; Li, Y.; Wang, L.; Zhang, Y.; Chen, P.; Sun, X.; Wang, C.; Peng, H.* “Injectable fiber battery for all-region power supply in vivo”, J. Mater. Chem. A 2021, DOI: 10.1039/D0TA10357H.

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d0ta10357h#!divAbstract

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