近日，清華大學材料學院尹斕課題組在《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。這項工作不僅在可降解電池領域提出了新的材料選擇和制備方案，實現(xiàn)了高性能、完全生物可降解的電池，同時通過電池測試、電化學分析、體內(nèi)外降解實驗、功能電路模擬等實驗設計，全面清晰地研究了此生物可降解電池在電學和生物醫(yī)學方面的性質和應用潛力。
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，是一種近年來備受關注的新興技術產(chǎn)品，也可看做是“瞬態(tài)電子學”在生物環(huán)境領域的一個分支。器件的應用場景包括作為臨時植入物執(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險和可能引起的慢性炎癥，降低相關醫(yī)療成本。其他潛在應用還包括在環(huán)保、信息安全等領域的應用。
相較于無線傳輸及外接電源，具有獨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。通過穩(wěn)定的電能供給，器件可以在生物體內(nèi)實現(xiàn)自供電的診斷和治療，使體內(nèi)感應和刺激內(nèi)持續(xù)更長時間以滿足臨床標準，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)應用具有非常特殊的意義，但迄今為止進展十分有限。
尹斕研究團隊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。該電池能夠驅動典型的超低功耗電子設備。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，配合其它設備實現(xiàn)組織再生、手術前或手術后長時間監(jiān)測。電極材料的選擇和電池的制備為植入式設備的能量供應提供了一個合適的選擇，并為完整的瞬態(tài)電子系統(tǒng)設計提供了重要方案。
圖1 高性能可降解電池供能及體內(nèi)降解測試
尹斕研究團隊長期從事可降解材料及電子的研究。除此之外，近期還報道過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材料學院助理教授尹斕，第一作者為清華大學2017級博士生黃雪瑩，其他重要合作者包括清華大學材料學院趙凌云、伍暉副教授，清華大學電子工程系盛興、張沕琳助理教授，中國科學技術大學高分子系徐航勛教授。本工作受到國家自然科學基金委以及國家“青年千人計劃”項目的資助。《SMALL》德國Wiley出版社旗下期刊，該期刊目前影響因子為9.598,本文工作同時被選為當月期刊封面內(nèi)頁（Inside Front Cover）。
圖2 封面內(nèi)頁圖
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.201800994
