核心摘要

随着技术的进步，有源植入式医疗器械，被广泛应用于治疗各类疾病，如心脏起搏器、心脏复律除颤器、脊髓刺激器、深层脑刺激器、人工耳蜗、胰岛素泵、药物输送系统等，这类器械大部分依靠电池供能。

 

植入式医疗器械和可穿戴电子产品，均属于生物相容性电子产品，但关于植入式医疗器械电池的研究相对较少。对生物相容性电子产品而言，电池尺寸、重量、体积、使用寿命、生物安全性和可靠性，都是重要的考量因素。

 

理想的植入式能源供给器件，应具有高能量密度、小植入体积、低感染风险和无经皮导线的特性。目前，多数植入式电池，有坚硬的金属外壳，将有毒/有害化学物质封装在电极和电解质中，防止与身体接触。这些外壳会产生额外的惰性重量，导致体积更大，能量密度更低，安全性更低。这种电池长期植入人体，也会大大增加感染和炎症风险。

 

因此，有源植入式医疗器械的一大挑战便是电池。

 

有源植入式医疗器械的发展趋势，主要围绕提高安全性、能量密度和使用寿命，实现自充电功能等展开，意在探索低毒性、高可靠性、体积小、更持久、更可靠的新型植入式电池。

 

近年来，有源植入式医疗器械电池主要研究领域，包括传统充电电池、固态电池、能量收集器件和自驱动等。研发思路，主要通过特殊的设计和材料选择，以确保电池的安全性、生物相容性和长期稳定性。研究的重点，包括材料合理性、结构设计、评估标准、以及柔性、生物安全性和良好性能的验证，以便更好地满足实际应用和商业化的要求。

 

植入式电子器件的发展简史

图片来源《中国科学》

1、传统充电电池

 

第一个植入式心脏起搏器，使用的是镍镉充电电池。随后，历时两年多，锌汞电池问世。但1972年，锂电池发明后，一骑绝尘，颠覆了之前各种类型的充电电池。

 

目前，有源植入式医疗器械，主要采用锂电池作为供能系统，其他还包括锌电池、镁电池等。

 

1.锂电池

 

（1）工作原理

 

化学反应：基于锂离子的移动。在充电过程中，锂离子从正极材料，移动到负极材料。在放电过程中，锂离子从负极返回正极，通过电解液和隔膜移动。

 

电极材料：正极和负极材料是关键，决定了电池的能量密度和循环寿命。植入式医疗器械电池，必须使用高能量密度材料，如锂钴氧化物、锂铁磷酸盐或锂锰氧化物；负极一般采用如石墨。

 

电解液和隔膜：电解液是锂离子移动的介质，而隔膜则防止正负极直接接触，防止短路。植入式医疗器械电池，常使用固态或凝胶电解液，更安全，且不易泄漏。

 

控制电路：为了确保电池的安全和性能，植入式医疗器械电池常配备有控制电路，如保护电路和电池管理系统，可以监控电池的状态，防止过充、过放和温度过高。

 

封装：植入式医疗器械电池，需要特殊的生物相容性封装，以防止人体组织与电池内部化学物质接触，并保护电池不受体内环境的侵蚀。

 

（2）应用与挑战

 

20世纪70年代以来，锂电池在有源植入式医疗器械中开始广泛应用。锂电池使用寿命长达十年，由于具有高能量密度、较长使用寿命和稳定的放电特性，锂电池曾是心脏起搏器的黄金标准。

 

然而，随着人类寿命延长，当有源植入式医疗器械寿命超过十年时，问题就出现了。当电量不足时，需重新手术进行更换，更换电池频率比原来要高得多。尤其是高龄人群，更换电池不仅需要昂贵的医疗费用，还要承担手术风险。这些风险包括感染、血栓、血管或神经损伤、肺萎陷和心脏穿孔。

 

此外，锂电池的电解质有毒性，为了安全起见，通常会采用特殊封装和保护措施，以确保在人体内的安全性。这种严格封装，导致了体积大，无法原位植入，需要经皮导线连接等等，从而易造成感染和设备故障。

 

尽管，近年来通过不断努力，实现了锂电池能量密度的提高和循环寿命的延长，但因其使用有毒、易燃、高反应活性的组件而受到安全限制。与普通锂电池相比，必须设计得更小巧、更安全，具有更长使用寿命。

 

2.锌电池

 

锌电池作为锂电池的有力竞争者之一，因其良好的安全性、低成本、高容量和较好的能量密度，在近年来受到关注。与锂电池相比，锌电池安全性优势更为突出。

 

（1）工作原理

 

基于金属锌负极的新兴锌基电池系统，主要包括锌空气电池、锌金属电池、锌离子电池和基于其他转换反应的电池，如锌碘电池、锌溴电池和双电子锌锰电池。下图展示了不同的锌基电池的原理，储能机制和优缺点。

 

锌电池工作原理示意图、储能机制、优缺点

图片来源：Advanced Materials

 

（2）应用和挑战

 

作为一种新兴低成本器件供能技术，锌电池由于本征的安全性，在用于生物相容性电子器件时更具竞争力，但生物相容性锌电池的发展处于较早阶段。由于缺乏成体系的设计和评估标准，仍面临不少问题和挑战。

 

采用锌金属作为负极时，循环过程中枝晶的生长是锌电池主要问题之一。然而，这一问题在柔性锌电池中还鲜有研究。由于电场分布极度不均匀，柔性构型中锌枝晶的生长或更为严重。

 

锌电池的研究一般采用扣式电池，这种构型不符合生物相容锌电池的设计原则，受到液态电解质和坚硬不锈钢外壳的限制。

 

生物相容性锌电池，由于水凝胶电解质的离子电导率低、电极与电解质之间的接触不良，电池性能受制于较大的阻抗、较差的倍率能力和较低的能量密度。

 

锌金属的过量使用，会增加电池的整体重量并加重副反应。针对上述问题，研究人员提出了一些优化策略，例如在凝胶中引入氧化石墨烯，通过促进离子传输来改善水凝胶电解质的离子电导率。

 

负极集流体的使用，是解决锌金属过量使用导致的成本增加和副反应加剧的可行措施。此外，使用集流体可以提高活性物质的利用率，获得更高的能量密度。

 

3.固态电池

 

目前，新能源汽车主要采用磷酸铁锂电池和三元锂电池为主要动力电池。这两种电池，综合性能近乎发挥到了“极限”，在技术上越来越难有新的突破。

 

液态锂电池在充放电过程中，会不可避免地发生副反应，不仅影响电池寿命，同时有机易燃电解液，引起安全问题及自燃问题，引发对锂电池安全性的疑虑。

 

固态电池因其安全性、柔性优势，和使用寿命优势进入研发视野，同时有望在植入式医疗器械等微电池领域也得以应用。

 

（1）工作原理

 

固态电池采用固态电解质取代电解液，具备安全性优势。

 

固态电解质主要包括聚合物、氧化物、硫化物三种类型。与电解液相比，固态电解质同时具备不易燃、耐高温、化学活性低的特性，此外还具备一定的力学强度，可以更好的抑制锂枝晶生长，抵抗外界应力冲击，降低热失控风险，大幅提高电池安全性能。

 

固态电解质能兼容更高比容量正负极材料，打开能量密度上升空间。与电解液相比，固态电解质具备更高的安全性与更宽的电压窗口，有望解决高压正极材料如富锂锰基、尖晶石镍锰酸锂与现有电解液不兼容的问题。

 

固态电解质具备一定结构强度，可以补偿负极材料尤其是硅基材料的体积变化应力，也不容易导致锂损耗，提升硅基材料循环性能，使硅基负极向更高硅含量拓展。

 

（2）应用和挑战

 

固态电池的商业化生产和应用，面临很多挑战，包括成本、制造工艺和性能优化等。此外，固态电解质适配锂金属负极，有望最终实现锂金属电池的产业化。随着这些问题的解决，固态电池有望在医疗领域发挥更大的作用。

 

2、植入式能量收集器件的发展

 

从生物和周围环境中收集能量为植入式医疗器械供能具有广泛的现实意义。

 

植入式能量收集器件的思路是应用压电效应、热能转换、静电效应以及化学反应等多种方法，从人体内部或外部环境收集能量，机械能、热能、化学能转换成电能，从而为可穿戴或可植入器械进行供电，减少对传统电池的依赖。

 

生物超级电容和能量采集设备，指的是利用人体的自然能量转化为电能，自驱动来为植入设备供电，理论上能无限期地为设备提供能量，消除了更换电池的需要。

 

电容器可以提供优良的倍率性能和循环稳定性，但最大的问题是低能量密度和能量效率。

 

植入式能量收集器件在人体的应用领域

图片来源：科匠文化

 

1.纳米发电机

 

近年，纳米发电机已被植入生物体中以收集能量、感测或刺激神经和肌肉。纳米发电机可以将机械能转化为电能,主要包括压电纳米发电机和摩擦纳米发电机。

 

（1）压电纳米发电机

 

（a)工作原理

 

压电纳米发电机，是一种利用压电材料在受到机械应力时产生电荷的特性，将环境中的机械能转换为电能。

 

工作原理基于压电效应，即某些材料在受到机械变形时，其内部的正负电荷中心会发生相对位移，这种形变会导致材料内部的电偶极矩重新排列，在材料的两端产生电荷，导致材料两端产生电势差。这种效应是可逆的，即施加电场也可以引起材料的机械变形。通过电极收集这些电荷，就可以输出电压和电流。

 

压电能量收集器使用压电材料，而电磁振动能量收集器通常包含一个或多个线圈和一个可移动的磁铁。压电能量收集器通过将机械压力或振动转换为电能。

 

（b)应用和挑战

 

压电纳米发电机，可以设计成不同的形式，如薄膜型、纤维型或纳米线型，以适应不同的应用需求。例如，薄膜型压电纳米发电机可以集成到衣物中，利用人体的运动产生电能；纤维型或纳米线型压电纳米发电机则可以用于更小型的设备，如传感器或植入式医疗器械。

 

压电纳米发电机结构及工作原理示意图

图片来源：科匠文化

 

（2）摩擦纳米发电机

（a)工作原理

 

摩擦纳米发电机是一种基于摩擦起电和静电感应原理的能量收集装置，能够将机械能转换为电能。

 

工作原理，是利用两种不同材料之间的摩擦来产生电荷，通过静电感应来收集这些电荷，产生电流。可以用于收集环境中的机械能，如人体运动、风能、水波能等，并将这些能量转换为电能，为小型电子设备或传感器提供动力。输出性能取决于多种因素，包括材料的选择、表面的粗糙度、接触面积、运动频率等。

 

摩擦纳米发电机结构及工作原理示意图

图片来源：科匠文化

 

（b)应用和挑战

 

不同的材料通过摩擦起电产生的电量有很大差异，因此需要尝试各种材料。

 

乔治亚理工学院纳米技术研究人员制作了类似于微观城市街区的立方体网格，类似于竹林的纳米线，以及类似于吉萨大金字塔的那种金字塔阵列。这些材料用金字塔阵列覆盖表面可以将发电量相比于平板增加五倍。研究人员已经在老鼠，兔子和猪身上进行了实验，测试了起搏器等由呼吸和心跳加速提供电能的植入式装置。

 

还有研究设计了摩擦起电的可穿戴设备，制造了摩擦电布，可以为配置锂离子电池的柔性腕带充电。

 

常见的静电效应可以用来为设备供电。当两种不同材料彼此反复碰撞或摩擦时，一种材料的表面可以从另一种材料的表面上夺取电子，积聚电荷，这被称为摩擦起电现象。摩擦起电的关键优点是包括天然材料和合成材料在内的几乎所有材料能够产生静电。

 

有研究者构建了一种具有自支撑结构、高安全性和高能量存储能力的生物相容性对称钠离子微电池。对称钠离子微电池，是由基于钠离子的双功能电极和生物相容电解质构成的。采用静电纺丝、静电喷雾、碳化相结合的方法构建了球形网络结构的薄膜电极。静电纺丝和静电喷雾技术的相结合，使活性物质/碳球均匀地加入到碳纳米纤维基体中，产生了结构稳定、电子/离子传输速度快、负载量高的电极。

 

2.电磁发电机

 

电磁能量收集装置，通常包括一个或多个线圈，这些线圈可以接收外部电磁场产生的能量。外部电源（如无线充电器）产生电磁场，植入体内的线圈通过电磁感应现象收集能量，并将这些能量转换为电能。电磁振动能量收集器则是通过振动使磁铁相对于线圈移动，产生感应电流。

 

机械腕表的主要部件就是机械传动系统和电磁发电机。机械传动系统中的偏心摆锤可以将物体的水平运动转换为旋转运动，将机械能持续储存到发条弹簧中。当达到机械能的阈值时，弹簧将驱动产生电脉冲。

 

3.热电发电机

 

热能收集装置（热电发电机），由热电材料组成，这些材料能够将温度差转换为电能。利用人体内部和外部环境之间的温度差，通过热电效应产生电能。热能收集装置通常需要较大的温度差，才能产生足够的电能。

 

人的心脏每年跳动的次数超过4000万次，所有这些能量都会转换成身体热能成为潜在的资源。目前，有研究正在探索用于可穿戴设备的热能发电装置。

 

人体热能发电，面临着一些主要问题。这种能量转换方式往往依赖于温度差异，但人体的体温常常会保持相当恒定的状态，因此人体内部的温度差异还不足以产生大量电力。但是，如果这些装置能够在收集身体体温的同时，暴露于相对凉爽的外部环境中的话，就能够解决问题。

 

4.光电转换器

 

光电转换器，通过皮肤吸收外部光源（如太阳光或特定波长的光）并将其转换为电能。这种方法的能量转换效率，可能受到皮肤对光的吸收和散射的影响。通常包括光电材料，如光电池或有机光伏材料等。

 

5.生物燃料电池

 

（a)工作原理

 

体内葡萄糖的氧化还原反应包含大量可用化学能量。生物燃料电池是一种利用生物酶催化有机物质氧化还原反应来产生电能的装置，其通过酶和身体内的能量储存分子（例如血液中的葡萄糖）之间的化学反应产生电力，或者是汗液中分泌的乳酸，可以将体内的化学能转化为电能提供能量。例如，从真菌中提取的纤维乙糖脱氢酶可以分解葡萄糖，并在纳米碳管中产生电流。

 

生物燃料电池具有高选择性：由于酶对特定底物的高选择性，可以有效地利用特定的生物质燃料。其次，它的操作条件温和，酶促反应通常在温和的温度和pH条件下进行，这使得其适合在生物相容的环境中使用。此外，还具有环境友好性，使用生物降解的酶和燃料，对环境的影响较小。

 

生物燃料电池也面临一些挑战，包括酶的稳定性和活性、燃料的供应和扩散限制、以及电极材料和电解质的优化等。这些挑战限制了实际应用，随着生物技术和材料科学的发展，问题正在逐步得到解决。

 

法国科学家创造了一种基于酶涂层碳纳米管的生物燃料电池，其体积大约只有半茶匙，当植入老鼠体内时，可以通过与血糖反应产生足够的电力，为LED或数字温度计供电。

 

酶的选择可能会很棘手。研究中都发现葡萄糖氧化酶可以在植入实验小鼠的生物燃料电池中产生电力，但该酶也会产生过氧化氢（一种常见的漂白剂成分），这可能会恶化设备的性能，并且会对身体产生伤害。

 

（b)应用和挑战

 

2023年5月，南京大学课题组开发设计了一种可在体内工作的植入式锌氧气电池。锌氧气电池在放电过程中通过电化学反应产生电能，同时生成对人体无害的副产品。可以原位集成在神经导管上，通过电刺激促进施旺细胞的增殖和神经营养因子的释放，促进长节段受损神经的再生。

 

植入式锌氧气电池的结构

图片来源：Advanced Materials

 

锌氧气电池的正极是碳纳米管/铂复合薄膜，负极是锌丝。正负极固定在管状的取向聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)膜上，外层包裹多孔PLGA薄膜以提供力学支撑。锌氧气电池利用体液作为电解液，利用体内的氧气实现放电。

 

2024年3月， Cell Press旗下期刊Chem期刊上，刊登了天津理工大学研究人员设计的一种植入式电池，也可以依靠体内的氧气运行。

靠氧气运行的植入式电池

图片来源：Chem

4、未来趋势

 

有源植入式医疗器械的电池技术，正朝着多方向发展，以提高设备的安全性、持久性和功能性。

需要考虑的因素很多：有效利用活性物质和降低电池电阻，以实现更高的能量密度和功率密度；负极问题入枝晶、腐蚀、析氢和钝化，正极问题如正极溶解、结构崩塌和穿梭效应等也应引起足够重视。未来，在设计中需要重点考虑以下原则：

 

（1）水凝胶电解质的基体材料：作为必不可少的组分之一，水凝胶的研究不能只关注电解质溶质成分的改性和添加剂，而应更注意设计具有高导电性、柔韧性和粘滞性的水凝胶。

 

（2）集流体的合理设计：为了实现柔性和提高电极电子导电率，正负极都可以使用集流体。因此，应该着重考虑集流体的材料和结构等优化。

 

（3）系统的性能评估：柔性评估标准的差异，阻碍了不同电池之间的性能对比，应用参数来描述柔性电池的弯曲状态，建立统一的测试标准。

 

（4）严格的生物相容性验证：对于植入式器件，必须考虑安全性和稳定性，事先进行动物实验验证，同时，稳定性不应只通过循环稳定性来表征，对半永久植入式器件来说体内稳定性可能更为重要。

 

（5）各种器件的耦合：生物相容性电池与目标器件的耦合应受到重视，使不同部件协调运行的过程中可能会出现更多的问题，阻碍了商业化进程。

 

随着科技的进步和跨学科研究的深入，未来的电池解决方案，将更加多样化和高效化。这些进展不仅可能降低植入式器械的维护频率和患者的不适感，还可能扩展这些设备在临床上的应用范围和有效性。

 

虽然，很多先进的理念设备目前尚处于概念验证阶段，没有上市。但预测不到十年就会市场化。在未来，能量采集设备会变得更适用于人体。