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清華大學尹斕課題組 ACS Nano:可為電子藥物供能的完全可降解鋅電池
2023-03-15  來源:高分子科技

  作為一種新興的醫用設備,具有調節器官功能、改善治療效果等特點的生物可吸收電子藥物在治療后期能夠被生物體自動吸收、無需二次手術取出,近年來得到了廣泛關注和發展,但為其供能的電源組件仍是實現其小型化、集成化的重要挑戰。相關研究者提出了多種策略,包括生物可降解儲能系統(電池和超級電容器)、基于電感耦合和光伏的生物可降解能量轉換裝置和生物可降解能量收集裝置(摩擦電收集器、壓電收集器等)。其中,生物可降解電池系統具有能量密度高和易于部署的優勢,同時能夠避免二次手術的需要,是實現生物可吸收電子藥物的重要電源。然而,目前可供選擇的電池體系在使用壽命、生物相容性和生物降解性等方面仍存在不足,限制了其作為臨時植入物的治療結果。


圖1基于長壽命完全可降解鋅電池的新型電子藥物


  針對上述需求,清華大學材料學院尹斕副教授與北京腦科學與類腦研究中心熊巍教授等課題組緊密合作,設計并制備了一種由鋅(Zn)負極和鉬(Mo)正極材料組成的電池系統,通過金屬顆粒的醋酸燒結增加電極比表面積以提高輸出電壓,并將完全可降解電池的壽命延長至19天,獲得了理想的能量容量和性能。實驗證明,電池材料體系具有良好的生物相容性,所提供的直流電場能顯著促進雪旺細胞的增殖和背根神經節軸突的生長;進一步串聯4組Zn-Mo電極所得到的電池組,可驅動電化學反應生成信號分子一氧化氮(NO),進一步調節細胞行為。植入實驗證明,電池系統的材料最快可在3個月內完全降解。 


圖2完全可降解鋅電池為細胞生長及活動提供電場


  這項工作成功展示了開發高性能可生物降解原電池的材料選擇和制造方案,并探究了電場對神經細胞生長及細胞活動的影響,以實現完全生物可吸收的新型電子藥物,對未來醫用設備的革新與治療體驗的改善提供了新的思路和策略。

相關研究成果近日以“Fully Biodegradable and Long-Term Operational Primary Zinc Batteries as Power Sources for Electronic Medicine”為題發表在ACS Nano上。


  該研究的第一完成單位為清華大學材料學院。清華大學材料學院尹斕副教授、北京腦科學與類腦研究中心熊巍教授為本文的共同通訊作者,清華大學材料學院博士生黃雪瑩郁冰冰及生命學院博士生侯函青為本文的共同第一作者。清華大學電子系盛興副教授、北京航空航天大學王柳助理教授、解放軍總醫院彭江教授、王玉研究員團隊等為論文做出了重要貢獻。研究得到了國家自然科學基金、清華-北京協和醫院創新科研項目等的支持。


  論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c12125

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