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                復旦大學彭慧勝教授團隊開發出可注射植入的柔性纖維電池
                2021-01-21  來源:高分子科技

                  近年來,可植入式電子器件取得了飛速的發展,它們能夠實現精準的在體健康監測和調控、疾病治療和人工增強等功能,未來將會有越來越多的電子器件被植入體內。因此,發展出與之相匹配的供能系統是至關重要的。到目前為止,電池仍然是可植入式電子器件的主要能量來源。然而,目前的可植入式電池大多都采用有毒且易燃的有機電解質,當它們被植入體內后存在潛在的安全隱患。此外,現有的可植入式電池通常是剛性、塊狀的,其機械性能與柔軟的生物組織不匹配,導致它們只能被植入到皮下組織等有限區域,從而避免對重要組織(如大腦、心臟)的損傷。因此,亟需發展出兼具高安全性和優異柔性的可植入式電池,從而更好地滿足可植入式電子器件的供電需求。


                  近日,復旦大學彭慧勝教授團隊報道了一種生物相容的可注射式柔性纖維電池,該電池使用碳納米管復合纖維作為電極,具有優異的柔性和生物相容性。無需封裝的纖維電池可以通過注射器注射的方式,微創地植入到體內的不同部位,并且在體內展現出高達78.9 mW·cm-3的功率密度,可以有效驅動多種可植入式電子器件。該可注射纖維電池能夠被注射到小鼠的大腦、心臟和皮下組織中,并展現出了優異的電化學性能。研究成果以“Injectable fiber battery for all-region power supply in vivo”為題,發表在國際期刊J. Mater. Chem. A上,被選為“Hot Paper”。


                圖1. 可注射纖維電池的原理示意圖


                  可注射纖維電池可以直接利用體內的體液作為其電解質,通過體液中含有的鈉離子的嵌入和脫出,實現能量的存儲和釋放。可注射纖維電池具有低的內應力和彎曲剛度,展現出了優異的柔性,能夠與天然生物組織之間形成穩定的界面接觸和界面相互作用。


                圖2. 可注射纖維電池的結構表征和柔性表征


                  將纖維電池注射植入到小鼠體內30天后,沒有發現明顯的免疫排斥反應,證明該可注射纖維電池沒有明顯的毒副作用,具有優異的生物相容性和可靠性。


                圖3. 可注射纖維電池的生物相容性研究


                  得益于其不封裝和一維的電池結構,該纖維電池可以通過注射器注射的方式,微創地植入體內,并利用體液作為其電解質,實現了優異的充放電性能。其在小鼠體內的功率密度高達78.9 mW·cm-3,能夠有效驅動多種可植入式電子器件,并能夠在體內實現100次的循環充放電。


                圖4. 可注射纖維電池在小鼠體內的電化學性能研究


                  可注射纖維電池在小鼠的皮下、心臟和大腦中,都表現出了優異的電化學性能。該纖維電池被注射到了小鼠的皮下組織中,并能夠為體內的傳感器提供電能,從而實現了在體呼吸監測的功能。因此,該新型可注射纖維電池有望解決未來人體不同部位的可植入式電子器件的供電需求。


                圖5. 可注射纖維電池在體內不同部位的電能供應


                  綜上所述,作者報道了一種新型可注射且可充電的纖維電池,該電池具有優異的柔性,能夠實現體內多部位的電能供應。與通過手術過程植入的傳統電池相比,該纖維電池的注射植入法更加高效且幾乎是無創的,可以極大地減輕病人的痛苦、降低潛在健康風險和二次發病率。與現有植入式電池相比,該新型可注射纖維電池具有諸多優點,有望能夠促進多個領域的發展,例如大腦內的信息檢測。該可注射纖維電池也為新一代可植入式電子器件的設計提供了新的思路。


                  文獻鏈接Zhao, Y.; Mei, T.; Ye, L.; Li, Y.; Wang, L.; Zhang, Y.; Chen, P.; Sun, X.; Wang, C.; Peng, H.* “Injectable fiber battery for all-region power supply in vivo”, J. Mater. Chem. A 2021, DOI: 10.1039/D0TA10357H.

                  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d0ta10357h#!divAbstract

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                (責任編輯:xu)
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