近日，清華大學(xué)材料學(xué)院尹斕課題組在《SMALL》期刊發(fā)表題為“一種用于植入式瞬態(tài)電子器件的可降解電池（A fully biodegradable battery for self-powered transient implant”的研究論文。這項(xiàng)工作不僅在可降解電池領(lǐng)域提出了新的材料選擇和制備方案，實(shí)現(xiàn)了高性能、完全生物可降解的電池，同時(shí)通過(guò)電池測(cè)試、電化學(xué)分析、體內(nèi)外降解實(shí)驗(yàn)、功能電路模擬等實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，全面清晰地研究了此生物可降解電池在電學(xué)和生物醫(yī)學(xué)方面的性質(zhì)和應(yīng)用潛力。
生物可降解器件主要指在生理或環(huán)境水溶液中具有可控降解能力的一類電子器件，是一種近年來(lái)備受關(guān)注的新興技術(shù)產(chǎn)品，也可看做是“瞬態(tài)電子學(xué)”在生物環(huán)境領(lǐng)域的一個(gè)分支。器件的應(yīng)用場(chǎng)景包括作為臨時(shí)植入物執(zhí)行傳感和刺激功能，輔助傷口愈合、組織再生等重要的生物過(guò)程等；亦可作為具有生物降解性的電子系統(tǒng),可以減少常規(guī)植入式器件潛在的風(fēng)險(xiǎn)和可能引起的慢性炎癥，降低相關(guān)醫(yī)療成本。其他潛在應(yīng)用還包括在環(huán)保、信息安全等領(lǐng)域的應(yīng)用。
相較于無(wú)線傳輸及外接電源，具有獨(dú)立供電能力和高能量密度的生物可降解電池是更適用于植入式器件的供能方案。通過(guò)穩(wěn)定的電能供給，器件可以在生物體內(nèi)實(shí)現(xiàn)自供電的診斷和治療，使體內(nèi)感應(yīng)和刺激內(nèi)持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間以滿足臨床標(biāo)準(zhǔn)，并可在隨后完全被吸收或生物降解。綜上，可降解電池在體內(nèi)應(yīng)用具有非常特殊的意義，但迄今為止進(jìn)展十分有限。
尹斕研究團(tuán)隊(duì)提出了一種全由可降解材料制備的電池，能夠提供高穩(wěn)定的輸出電壓以及理想的容量。該電池能夠驅(qū)動(dòng)典型的超低功耗電子設(shè)備。具有良好的生物相容性，在體內(nèi)和體外均可完全降解。電池可以作為植入式電源，配合其它設(shè)備實(shí)現(xiàn)組織再生、手術(shù)前或手術(shù)后長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。電極材料的選擇和電池的制備為植入式設(shè)備的能量供應(yīng)提供了一個(gè)合適的選擇，并為完整的瞬態(tài)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了重要方案。
圖1 高性能可降解電池供能及體內(nèi)降解測(cè)試
尹斕研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事可降解材料及電子的研究。除此之外，近期還報(bào)道過(guò)使用薄膜單晶硅材料作為可降解電子的防水封裝材料，以極大延長(zhǎng)可降解器件在體內(nèi)的工作壽命，并基于此制備了可降解的皮層腦電圖傳感器，為解決可降解電子的封裝難題提供了重要思路（ACS Nano, 2017, 11, 12562–12572, DOI: 10.1021/acsnano.7b06697）。
本文的通訊作者為清華大學(xué)材料學(xué)院助理教授尹斕，第一作者為清華大學(xué)2017級(jí)博士生黃雪瑩，其他重要合作者包括清華大學(xué)材料學(xué)院趙凌云、伍暉副教授，清華大學(xué)電子工程系盛興、張沕琳助理教授，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)高分子系徐航勛教授。本工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金委以及國(guó)家“青年千人計(jì)劃”項(xiàng)目的資助。《SMALL》德國(guó)Wiley出版社旗下期刊，該期刊目前影響因子為9.598,本文工作同時(shí)被選為當(dāng)月期刊封面內(nèi)頁(yè)（Inside Front Cover）。
圖2 封面內(nèi)頁(yè)圖
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.201800994
