作者：劉卓、劉瑩等      來源：科技導報

目前，生物可降解能源器件主要包括生物可降解原電池、光伏電池、超級電容器和摩擦納米發(fā)電機4類。

其共同特征是所選材料具有良好的生物相容性并且能夠在體內降解吸收，但是工作原理各不相同（圖1）。

圖1   生物可降解能源器件

基于氧化還原反應的原電池在日常生活中應用廣泛。但是其使用后的廢電池通常由重金屬、不可降解聚合物、氧化物和危險電解質組成，對人體有著潛在危害。

Huang等基于瞬態(tài)電子學，采用氧化鉬作為陰極材料，鎂作為陽極材料，海藻酸鈣水凝膠電解質及聚酐涂層作為包覆材料研制出了生物可降解原電池（圖2）。

Mg本身具有很好的生物相容性，還具有很高的理論能量密度；MoO3具有理想的生物相容性和降解性；海藻酸鈣水凝膠電解質和聚乳酸-羥基乙酸共聚物能夠很好地延長電池壽命。

單個Mg-MoO3電池能量足以驅動紅色發(fā)光二極管（LED）、計算器和心電圖（ECG）信號檢測器的放大器等電子器件。該電池在體內外均可完全降解，且降解產(chǎn)物具有良好的生物相容性。

該電池系統(tǒng)能為特殊的可降解植入式電子醫(yī)療器件提供有前途的能源解決方案，在重大疾病的診斷和治療中發(fā)揮重要作用。

光伏電池是通過光電效應直接把光能轉化成電能的裝置。光伏電池作為一種清潔能源，具有無限可再生、零排放、無噪音的特點，受到了研究人員的廣泛關注。

Lu等結合光伏電池原理和瞬態(tài)電子學技術，研制出了生物可降解的單晶硅（Si）光伏微電池作為瞬態(tài)植入式電子醫(yī)療器件的電源（圖3）。

圖3   生物可降解光伏電池

電池由每行12個并行6行的摻雜硼和磷的硅太陽能電池單元陣列組成，陣列之間由金屬鉬（Mo）進行連接，整體器件用PLGA涂層進行封裝。

電池對于細胞不具有毒性，降解后的副產(chǎn)物也具有良好的生物相容性。生物可降解的硅光伏微電池為體內電源面臨的難題提供了具有吸引力的解決方案，能夠加速不同類型的臨時植入醫(yī)療電子器件的開發(fā)。

超級電容器是一種通過電極與電解質之間形成界面雙電層來存儲能量的電子元器件。

它介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間，既具有電容器快速充放電的特性，又具有電池的儲能特性，循環(huán)壽命高，且所選材料一般都具有環(huán)境友好的特點。

Wang等采用乳酪作為隔離層，金箔作為集流體，活性炭作為電極，蛋清作為電極間的黏合劑，海藻作為分離器，佳得樂運動飲料作為電解質并以明膠作為封裝材料，研制出了在體外可殺死致病細菌且串聯(lián)之后可啟動電子裝置的可食用超級電容器（圖4）。

圖4   生物可降解超級電容器

作為獨立的裝置，該超級電容器組不僅可食用、易消化，還可為商用USB相機供電。

其作為電源在生物醫(yī)學設備供能方面展現(xiàn)出巨大潛力，并有望促進未來食用能源和其他可食用可消化功能裝置及電子設備的開發(fā)。

其主要工作模式包括4種——垂直接觸分離模式、水平橫向滑移模式、自由摩擦層模式和單電極模式（圖5）。

圖5   摩擦納米發(fā)電機4種工作模式

器件所選材料來源廣泛，成本低廉，研制方法簡易，這種新興技術提供了一種制備新型電源的方案。

封裝后的摩擦納米發(fā)電機，能夠植入到生物體內，有效地將生物機械能（心跳、呼吸、肢體運動等）轉化為電能。

植入式摩擦納米發(fā)電機以垂直接觸分離工作模式為主，所產(chǎn)生的電能在健康監(jiān)測，為心臟起搏器供能等方面取得了成功。

研究人員基于摩擦納米發(fā)電機原理，成功研制出了基于人工合成高分子材料和純天然材料的生物可降解摩擦納米發(fā)電機。

Zheng等提出了一種可降解人工合成高分子材料（聚乳酸-羥基乙酸共聚物等）作為摩擦層和封裝層，金屬鎂作為電極層的生物可降解摩擦納米發(fā)電機（BD-TENG）（圖6）。

BD-TENG也可直接作為刺激器，顯示出其用于神經(jīng)修復的可行性，在生物學應用方面有較大的潛能。

圖7   基于純天然材料的生物可降解摩擦納米發(fā)電機

Jiang等提出可以利用自然來源的天然可降解材料（纖維素、甲殼素、絲素蛋白、米紙和蛋清）開發(fā)出生物可降解摩擦納米發(fā)電機（BN-TENG）（圖7）。

通過調節(jié)蠶絲蛋白結晶度可對以蠶絲蛋白作為封裝體系所制備的BN-TENG的使用壽命加以調控，實現(xiàn)BN-TENG在體內及體外的可控降解。

BN-TENG還為心率過緩、心律不齊等疾病提供了新的可能解決方案。

生物可降解原電池、光伏電池、超級電容器及摩擦納米發(fā)電機4種生物可降解能源器件，在植入式瞬態(tài)電子器件領域有著極大的應用前景，為解決后端能源供應瓶頸提供了新思路。

目前研究發(fā)現(xiàn)，生物可降解原電池能量密度高，輸出穩(wěn)定，但是目前能夠使用的材料種類非常有限，急需開發(fā)新型材料。

生物可降解光伏電池利用光能產(chǎn)生電能，便捷環(huán)保，但是植入體內的深度影響光電轉化的效率，較大地限制了其應用場景。

生物可降解超級電容器，循環(huán)次數(shù)高且安全，放電快，但是持續(xù)性供能的能力有限。

生物可降解摩擦納米發(fā)電機，植入體內后能夠收集人體器官運動的機械能，有著源源不斷的能量來源，但因其高電壓低電流的固有特性，導致整個器件對于電源管理系統(tǒng)具有依賴性。

因植入生物體內的固有限制，需在較小體積內滿足實際要求的電學輸出，對以上4種生物可降解電源又提出了新的挑戰(zhàn)。

生物可降解能源器件的研究是跨學科、跨專業(yè)、高度交叉的研究領域，尚需更多國內外相關科研工作者積極參與。

目前，隨著集成電路、材料科學工程和微納制造技術的進步，植入式瞬態(tài)電子器件在不斷取得進展。

未來，生物可降解能源器件將在植入式醫(yī)療傳感與診斷中有著廣泛的應用前景。