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柔性、可降解、可體內(nèi)吸收的植入式高性能超級電容器的制備流程，以及在體內(nèi)體外環(huán)境中的生物降解過程與應(yīng)用實例。

蘭州大學物理科學與技術(shù)學院教授蘭偉課題組聯(lián)合美國休斯頓大學教授余存江和蘭州大學基礎(chǔ)醫(yī)學院教授王凱榮，研究了一種輕薄、柔性的全生物可降解超級電容器植入物，兼具高的能量密度和功率密度。該器件全部由綠色、安全、生物相容性的材料構(gòu)成，工作任務(wù)完成后可在生物體內(nèi)完全降解被吸收，經(jīng)自然新陳代謝排出體外，無需二次手術(shù)移除，具有安全、健康、避免手術(shù)痛苦和降低醫(yī)療成本等特點。該研究有望為下一代生物可降解植入式醫(yī)療電子器件或其他瞬態(tài)電子器件的供能問題提供能量解決方案。近日，該研究成果以《柔性、可降解、可體內(nèi)吸收的植入式高性能超級電容器》發(fā)表在《科學—進展》上。

植入式醫(yī)療電子器件近年來備受關(guān)注，有望實現(xiàn)健康的實時監(jiān)測與精準診療。目前其能量供應(yīng)主要依賴于植入式一次電池，它會占據(jù)整個器件的大部分質(zhì)量和體積，在電池耗盡或工作結(jié)束后需要通過二次手術(shù)去替換或移除。由于電池中包含有毒或有害物質(zhì)，在植入前需要對其外部進行嚴格的剛性封裝和生物相容性處理?；诖吮尘埃喾N植入式能量供應(yīng)替代方案被提出，包括植入式能量捕獲裝置（如葡萄糖生物燃料電池、納米發(fā)電機等），無線電力傳輸技術(shù)（如電感耦合/射頻、光伏/超聲誘導等），但這些方案目前存在不可降解、機械剛性、尺度大、能量低等各種弊端，嚴重限制了在生物可降解醫(yī)療電子器件中的使用。因此，實現(xiàn)具有輕薄、柔性、小尺寸、全生物可降解的能量供應(yīng)方案一直是個巨大挑戰(zhàn)。

超級電容器具有快速充放電、功率密度高和長壽命等特點，可為有源的植入式醫(yī)療電子器件進行供能，被認為是一種理想的儲能裝置。蘭州大學柔性電子科研團隊采用簡單、綠色、可控的電化學氧化策略在水溶性金屬鉬箔表面原位生長了一層富缺陷的非晶氧化鉬微納米片陣列，將其用作贗電容活性電極，生物相容的海藻酸鈉水凝膠作為電解質(zhì)，組裝成對稱固態(tài)超級電容器植入物。封裝后的器件可在模擬體液環(huán)境（37℃，0.1 mM PBS溶液，PH = 7.4）中有效工作長達一個月，且實現(xiàn)了工作壽命的長短可控。器件的能量密度同比高出2個數(shù)量級，在不同角度持續(xù)彎曲數(shù)百次之后，未發(fā)現(xiàn)明顯的能量衰減。通過器件串并聯(lián)可為各類商用電子產(chǎn)品進行供能。將該器件植入到Sprague-Dawley（SD）大鼠皮下能正常工作，任務(wù)完成之后的半年內(nèi)，通過一系列水解反應(yīng)和新陳代謝被自然吸收，對生物體不產(chǎn)生任何不良反應(yīng)。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.abe3097



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