可穿戴电池和可降解植入式电池的未来发展

 

 

 

综述背景

随着第五代移动通信技术和尖端芯片的广泛使用，包括可穿戴和植入式电子设备在内的人体电子设备正在逐步发展。具体来说，可穿戴电子设备，包括人造皮肤、智能服装和柔性手表，可以实现体温、心率和环境监测，通过可穿戴能源中心为智能手机无线充电，以及其他功能。植入式电子设备可以进行一系列的医疗测量，如药物输送、组织和神经愈合，以及对目标组织的监测，如心脏、动脉、肌肉组织、皮下组织和神经系统。作为电子设备的核心部件，能源枢纽在维持电子设备的正常运行方面发挥着重要作用。电子产品在人体中从外到内的应用越来越深入，功能也越来越复杂，对能源枢纽提出了更苛刻的要求：绝对安全和高能量密度。作为一种电化学储能系统，能够有效地将化学能转化为电能的电池在这方面具有独特的优势。不同于含有有机电解液的锂离子电池的易泄漏、有毒性和易燃性，水系电池依靠水系电解液的稳定性和高生物相容性，正在成为这些电子设备的首选能源枢纽。特别是近年来，以水系锌电池为首的水系电池的快速发展，使其在可穿戴和植入式电子设备中的应用达到顶峰。然而目前还缺乏对水系电池在人体电子设备中的最新发展和应用的全面总结。为此，在近期文献的基础上，该综述从电极、电解液、封装材料和电池配置等方面回顾和总结了与水系柔性和生物可降解植入式电池相关的研究。基于人体内外电子设备不同的能量供应和工作环境要求，该综述重点总结了柔性电池优异的电化学和机械性能的耦合策略，以及植入式可降解电池的长期放电性能、生物相容性和可降解性的合理设计。旨在为开发高性能的人体电子能源枢纽提供新的研究思路。

图1. 可穿戴电池和可植入电池供电的电子设备的应用场景和功能概述.

本文以题为“Aqueous Batteries forHuman Body Electronic Devices”在国际知名期刊ACS Energy Letter上发表。本文第一作者为中南大学湘雅医院整形外科李晶晶博士，通讯作者为中南大学材料学院周江教授和中南大学湘雅三医院整形外科陈志钊博士。

 

图文导读

图2. 多功能柔性电极.

  

图3. 水凝胶电解液.

图4. 纤维电池、堆叠电池和微型电池构造.

图5. 可穿戴电池的实际应用.

图6. 人体每日金属元素摄入上限量和电极储能机理.

图7. 正极材料电化学性能、生物相容性和可降解性.

图8. 凝胶电解液生物相容性和可降解性.

图9. 封装材料.

 

总结与展望

作为一种在人体内外使用的储能装置，水系电池在安全方面具有绝对的优势，具有巨大的发展潜力。迄今为止，在协调水系可穿戴电池和可降解植入式电池的电化学性能和机械性能、可降解性和生物相容性方面已经取得了巨大的进展。然而，事实上，这些电池离实际应用还很远，仍处于起步阶段。对于可穿戴电池和可降解植入式电池的未来发展，该综述提出以下观点和展望：

(1)电极材料是水系电池的一个重要研究方向。目前，很少有水系电池的电极材料能够兼具高比容量和高输出电压。其中，基于溶解沉积机制的MnO2正极被证明具有超过1100 Wh kg-1的能量密度，可以引入到可穿戴电池中。此外，S正极材料具有超高的理论容量，在解耦条件下甚至可以达到2000 Wh kg-1以上的能量密度，也是一种值得研究的电极材料。对于可降解的植入式金属空气电池，开发具有高ORR和HER催化活性的正极材料是一个可行的研究方向。在这些具有生物相容性的金属基材料的基础上，可以进一步进行元素掺杂，贵金属的单原子化，或与碳基材料结合，以降低成本，提高催化活性，同时保证降解性和生物相容性。此外，考虑到一些正极材料的降解周期非常长，可以设计具有双边溶解机制的可降解电池，即正极和负极的活性材料在放电过程中一起转化为离子，实现同步降解。此外，负极是决定生物可降解电池放电时间的关键因素。镁和锌金属负极容易被电解液腐蚀，导致放电时间大大缩短。因此，负极的腐蚀保护势在必行，可以从合金化和涂层保护入手，缓解负极的自放电问题。

(2)应该为可穿戴电池开发多功能的水凝胶电解液。可穿戴电池的工作环境复杂多变，需要水凝胶电解液能够同时实现高机械性能、耐高低温、高离子传导性和电极保护，以保证电池的电化学性能稳定。因此，必须关注水凝胶各项性能的改善策略和机制，并尝试结合多种改善策略，以达到协调的效果。对于可生物降解的植入式电池，准固体水凝胶电解液也值得进一步研究。首先，许多水凝胶来自于生物，本身具有良好的生物相容性和可降解性。其次，一些水凝胶对负极保护有积极作用，因为它们的凝胶骨架可以锁定大部分水分子，防止水与负极接触。同时，水凝胶电解液可以使电池配置更加紧凑，减少对封装材料和技术的要求，可以适应更复杂的工作环境。此外，高离子传导性也是水凝胶电解液提高电池性能的出路。

(3)封装材料的选择对可降解植入式电池极为关键。封装材料是可降解电池与生物组织接触的主体，有可能引起宿主的排斥。当封装材料的弹性模量高于目标组织的耐受上限时，会引起组织撕裂和炎症等一系列问题。因此，封装材料的生物相容性是首要考虑因素。此外，封装材料的降解时间应长于电池的放电时间，这可以通过增加封装材料的厚度来调节。还应控制封装材料的均匀降解性，以防止快速的局部降解，导致内部元件的暴露。

(4)对于可穿戴电池，需要建立多变量环境与可穿戴电池的电化学性能之间的关系。目前，缺乏对可穿戴电池在外力作用下的大量电化学测试。特别是各种机械作用，包括动态拉伸、动态扭转、动态弯曲、动态折叠和动态冲击，对不同温度和湿度下的电化学性能的长期影响。对于植入式电池，迫切需要建立统一的标准来评估可降解植入式电池的生物相容性、可降解性和电化学性能。目前对生物可降解植入式电池的电化学性能的测试是在生物体外进行的，缺乏在生物体内实际操作的电化学数据。也缺乏对可降解植入电池的生物相容性和可降解性的体内验证，包括具体的降解周期、周围细胞的存活、目标组织的排斥、降解过程中对体液中微量元素的追踪以及对宿主生命体征的监测。

(5)对于各种植入式医疗设备，特别是那些有长期能源供应需求和高功率消耗的设备，具有生物相容性、可生物降解和可充电的高性能能源枢纽是非常可取的。介导氧化还原反应的生物衍生材料可以在体内进行充电，如黑色素色素、多巴胺和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，它们可以作为水系电池的正极材料。同时，调节封装材料的结晶度和厚度，确保电池的降解时间大于服务时间。在此基础上，可介入无线充电系统，实现植入电池的长期充电/放电以及最终的降解，避免二次手术。