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兰州大学团队研发柔性、可降解、可体内吸收的超级电容器植入物

近日,兰州大学物理科学与技术学院教授兰伟课题组联合美国休斯顿大学教授余存江和兰州大学基础医学院教授王凯荣,研究了一种轻薄、柔性的全生物可降解超级电容器植入物。它兼具高能量密度和高功率密度。该器件全部由绿色、安全、生物相容性的材料构成,工作任务完成后可在生物体内完全降解被吸收,经自然新陈代谢排出体外,无需二次手术移除,具有安全、健康、避免手术痛苦和降低医疗成本等特点。该研究成果以《柔性、可降解、可体内吸收的植入式高性能超级电容器》发表在《科学―进展》上。

植入式医疗电子器件得到了快速发展和广泛关注,有望实现健康的实时监测与精准诊疗。目前其能量供应主要依赖于植入式一次电池,它会占据整个器件的大部分质量和体积,在电池耗尽或工作结束后需要通过二次手术去替换或移除。通常,在植入前需要对其外部进行严格的刚性封装和生物相容性处理来避免电池中包含有毒或有害物质进入。

在这样的背景下,专家们提出多种植入式能量供应替代方案,包括植入式能量捕获装置(如葡萄糖生物燃料电池、纳米发电机等),无线电力传输技术(如电感耦合/射频、光伏/超声诱导等),但这些器件具有一定的缺陷,如不可生物降解性、机械刚性(与软组织不相容)和较大的外形尺寸,从而限制了其作为生物降解电源的应用。

图丨可变形、完全生物降解的超级电容器植入物(来源:Science Advances)

兰州大学柔性电子科研团队采用简单、绿色、可控的电化学氧化策略在水溶性金属钼箔表面原位生长了一层富缺陷的非晶氧化钼(MoOx)微纳米片阵列,以实现其用作赝电容活性电极,以生物相容的海藻酸钠(Alg-Na)水凝胶作电解质,实现组装成对称固态超级电容器植入物。

图丨电极的形貌结构表征以及降解性能(来源:Science Advances)

对 MoOx 电极在电化学过程中存在的储能机理进行了理论分析,除电解质离子在表面以及近表面的吸/脱附之外,还依赖于离子在晶格层间/层内的插入/脱出。所制备的全生物可降解超级电容器植入物展示了优异的电化学储能特性,其面电容为 112.5 mF cm-2,能量密度为 15.64 μWh cm-2,功率密度为 2.53 mW cm-2。在进行数百次的不同角度之后,由于器件的能量密度同比高出 2 个数量级,并未发现明显的能量衰减现象。单个器件的电压可达 1V 甚至更大,并对各类商用电子器件通过器件串并联进行供能。

图丨全生物可降解超级电容器植入物的储能机理、柔性以及电化学性能表征(来源:Science Advances)

利用 MTT 比色法对器件所用材料进行了细胞毒性的评估,结果证实电化学氧化制备的 MoOx 微纳米片和 Alg-Na 电解质具有较高的生物相容性。器件封装后,在模拟体液环境(37 ℃,0.1 mM PBS 溶液)中可以有效工作 30 天,任务完成后会完全降解。将器件植入到 SD 大鼠背部皮下六个月后,通过新陈代谢被完全吸收,期间未观察到嗜中性粒细胞和明显的炎症。

图丨全生物可降解超级电容器植入物的生物相容性和生物可降解性评估(来源:Science Advances)

该研究通过一步绿色可控的电化学氧化法在水溶性钼箔表面原位地生长了二维富缺陷的非晶 MoOx 微纳米片,将其作为自支撑的赝电容活性电极。所制备的超级电容器植入物展示了良好的柔性、高的能量密度和功率密度,通过合适的封装策略实现了器件在生物体外和体内的正常工作,工作寿命长短可调,且对生物体不产生任何不良的反应。具有快速充放电、功率密度高和长寿命等特点的超级电容器,为有源的植入式医疗电子器件进行供能提供了可能性,被认为是一种理想的储能装置。该研究有望为下一代生物可降解植入式医疗电子器件或其它瞬态电子器件的供能问题提供解决方案。