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  植入式超級電容器作為一類可以為生物體內(nèi)電子設備提供能量的新型儲能器件，其發(fā)展對于生物醫(yī)學領域有著至關重要的意義。然而，當植入式超級電容器置入體內(nèi)時，不可避免地與血液直接接觸，可能激發(fā)血小板活化、凝血級聯(lián)反應，并引發(fā)炎癥導致血栓栓塞等一系列不良反應，嚴重時會削弱儲能裝置性能，甚至危及人體生命健康(圖1)。因此，植入式超級電容器在滿足儲能需求的基礎上，必須具備優(yōu)異的抗凝血性能，避免植入后血栓及其他心腦血管疾病的發(fā)生。

圖1 傳統(tǒng)植入式生物電子與抗凝血超級電容器接觸血液時的臨床反應差異

  鑒于此，蘭州理工大學材料科學與工程學院冉奮教授團隊利用抗凝血大分子肝素(Hep)摻雜導電高分子聚3, 4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)，合成了具有抗凝活性的生物電極材料PEDOT: Hep。隨后通過原位聚合的方式，構筑了具有一體化結構的抗凝血超級電容器(圖2a, b)。該超級電容器不僅具有高抗凝活性(凝血時間為63.4秒)和低溶血率(< 5 %)，還展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學活性和循環(huán)穩(wěn)定性，可作為植入式心率傳感器的供能設備。這項工作為便攜式、可穿戴和植入式電子產(chǎn)品的實際發(fā)展提供了重要參考。

  相關研究成果以“An anticoagulant supercapacitor for implantable applications”為題發(fā)表于Nature Communications (Nat. Commun. 2024, 15, 10497)。文章第一作者是蘭州理工大學博士后王相雅博士，冉奮教授為論文通訊作者。 

本文亮點：

  1、肝素摻雜PEDOT構筑一體化抗凝血超級電容器。本工作以PEDOT: Hep和細菌纖維素（BC）分別作為電極層和電解質(zhì)層，在BC表面原位逐步聚合制備一體化抗凝血超級電容器。該器件獨特的一體化結構，避免了電極與電解質(zhì)界面之間由于空間位阻效應引起的滑移現(xiàn)象。同時，該超級電容器的整體厚度僅為0.176 mm，并具有良好的機械靈活性和穩(wěn)定性，即使彎曲多次也能保持完全一體化的狀態(tài)(圖2c-f)。

圖2抗凝血超級電容器的制備圖及數(shù)碼照片

  2、抗凝血超級電容器具有良好的電化學性能和循環(huán)穩(wěn)定性。該超級電容器基于特殊的一體化結構，有助于提高電極與電解質(zhì)界面之間的離子或電子傳輸，展示出良好的電化學性能和循環(huán)穩(wěn)定性(2萬次循環(huán)后電容保持率為76.24 %) (圖3)。植入小鼠體內(nèi)后，可為植入式心率傳感器提供正常工作所需的電能，為個性化健康管理和精準醫(yī)療的開發(fā)與應用提供了可能。

圖3抗凝血超級電容器的電化學性能

  3、抗凝血超級電容器避免植入后面臨的凝血和血栓形成風險。肝素的引入賦予了該超級電容器優(yōu)異的抗凝血活性。植入后，該器件能有效阻止凝血途徑的激活、血小板黏附和炎癥等不良反應的發(fā)生，為植入式儲能裝置在體內(nèi)長期穩(wěn)定運行提供了全新解決方案(圖4)。

圖4抗凝超級電容器的體內(nèi)血液相容性和生物相容性

  該工作是冉奮教授團隊近期關于植入式儲能器件相關研究的最新進展之一。植入式儲能器件能夠為健康管理和疾病治療裝置提供電能，其主要材料需要具備優(yōu)異的電化學性能和良好的血液相容性，器件本身則需具備長壽命、小型化及柔性等特性，以適配可穿戴和可植入設備的應用需求。過去兩年，團隊系統(tǒng)總結了植入式能源存儲設備的最新進展(Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2301877)，針對當前植入式儲能裝置在體內(nèi)長期應用時面臨的穩(wěn)定性、生物及血液相容性挑戰(zhàn)，從抗凝血機理和分子設計的角度出發(fā)，闡述了抗凝血大分子在生物電子學領域中的重要應用和發(fā)展?jié)摿?/span>(Macromolecules 2023, 56: 4387)。基于此，團隊開發(fā)了可臨床應用的抗凝血電極材料(Adv. Healthc. Mater. 2024, e2401134)，以及無物理接口的新型膜式“一體化”超級電容器(Macromolecules 2024, 57: 9429-9441)，這些研究成果有望造福人類健康。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54862-2

  冉奮教授課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/ran