导读

为植入式医疗设备寻找替代电池的能量供给方案，一直是科学家们在积极探索的。最近，美国科学家发明了一种由生物超级电容和能量采集设备构成的系统，为植入式医疗设备供电。它是柔性、高效、且对人体无害的。

关键字

石墨烯、植入式设备、超级电容、医疗、能量

背景

如今，科学技术日新月异，前沿创新技术层出不穷。当然，医疗行业也不例外，在研发医疗设备方面，不断出现各种创新技术。

一般来说，传统的医疗器械都是昂贵、笨重、大型的。然而，最新的创新趋势则是便携、轻量、灵巧、方便、小型、生物相容、生态友好等。便携式医疗设备、可消化的医疗设备、植入式医疗设备等创新概念不断涌现，这些新型医疗设备不仅体积越来越小，甚至还可以进入人体，实时监测人体健康状况，以及进行给药和疾病治疗。

但是，植入式医疗设备一般需要在人体内长期工作，能量供给是最主要的问题之一。我们拿心脏起搏器来说，由于使用的是传统电池，其电量终有耗尽的时候，所以一般大约5到10年，就需要更换一次电池。

然而，这种电池的更换，并不像消费电子设备那么简单。电池位于人体内，需要进行手术才能更换。对于患者来说，这又将是一次痛苦的体验，甚至还会有感染的风险。此外，电池含有有毒物质，万一发生泄漏，则会危及患者健康。另外，由于电池的存在，会增加心脏起搏器的尺寸，影响它的设计和性能。

所以来说，针对以上列举的挑战，业界也探索出了一些创新技术方案，例如：

• 《瑞士最新研究：心脏起搏器有望利用太阳能供电》中介绍的位于皮下的太阳能电池。

• 《科学家发明新型电池：由胃酸提供能量，可消化！》中介绍的由胃酸提供能量的电池。
  

• 《无线能量传输，为消化道内的电子设备长期提供能量！》中介绍的取代电池的方式，即通过无线能量传输的方式，为人体内的医疗电子设备供电。

（图片来源于：麻省理工学院）

创新

然而，今天John要介绍一种最新的、取代电池的能量供给方式，它可以为心脏起搏器等植入式医疗设备供电。这个系统主要由两部分组成：能量存储（生物超级电容）和能量采集（采集人体热量和运动能量的设备）。

（图片来源于：Islam Mosa/康涅狄格大学 、Maher El-Kady/加州大学洛杉矶分校）

这项研究美国加州大学洛杉矶分校和康涅狄格大学的科研人员合作开展，加州大学洛杉矶分校的研究团队由化学和生物学、以及材料工程和科学的特聘教授 Richard Kaner 带领，而康涅狄格大学的研究团队由化学和细胞生物学的教授James Rusling 带领。研究论文于本周发表在《先进能源材料》杂志上。

技术

刚才介绍了系统由两部分构成，即能量存储和能量采集的部分，下面我们从技术的角度出发，具体介绍一下这两部分：

• 能量存储
  

这是一种生物友好的能量存储系统，称为生物超级电容，也称为生物电化学的超级电容。它利用了人体体液中的带电粒子和离子，进行电能存储。确切一点说，这个设备的电解液是人体的血液和尿液。这种生物超级电容对于人体无害，而且可以延长心脏起搏器等植入式医疗设备的寿命。

这种生物超级电容的电极，采用了一种基于蛋白质的纳米异质结构的材料，由石墨烯氧化物薄片以及经化学修改的哺乳动物蛋白质分层构成。

• 能量采集

生物超级电容只能用于存储能量，为设备供电。那么能量从何而来呢？科学家们采用了一种能量采集设备。

正如我在昨天的文章《可穿戴设备通过人体运动供电，可行吗？》所介绍的，三星最近的研究表明：人体运动所产生的能量足以为小型可穿戴设备供电。那么，这种能量也可以用于小型的植入式医疗设备。然而，这项研究中采用的能量采集器，不仅利用了人体运动的能量，还采集了人体产生的热量，将它们转化为电能，然后由超级电容进行存储。

价值

在简单了解完这项创新的技术架构后，让我们再来深入看看这项创新带来了哪些价值。

首先，也是最关键的价值点，就是这种超级电容和能量采集设备构成的系统，取代了传统植入式医疗设备中的电池，我们再也不用担心更换电池所带来的烦恼了。

另外，现在的心脏起搏器，以及其它的植入式设备，一般来说都需要小型化，即体积会很小，然而电池却占用了它们的大量空间，这样会对设备的设计会造成许多不利影响。这种超级电容的厚度仅仅只有1微米，比人类的头发丝还要细，比电池占用的空间要小很多。

还有，这种超级电容设备是柔性的，经得起弯曲和扭曲，性能可以长时间保持稳定，并且存储的能量比同等体积的薄膜锂电池要高。

此外，这种超级电容还不含有毒材料和电解液，所以是生物友好的，对于人体无害。

未来

说到未来，研究人员希望这种新型系统将用于开发下一代的植入式医疗设备，加速骨骼成长、促进愈合和刺激大脑。

虽然，目前这种超级电容尚未广泛应用于植入式医疗设备，但是研究显示它具有这种可行性。为了提高该设备的效率，以及让它和人体环境更加相容，研究人员还将付出不懈的努力。

参考资料

【1】http://newsroom.ucla.edu/releases/battery-free-implantable-medical-device-draws-energy-directly-from-human-body?_ga=2.140738418.153699238.1494523144-79110441.1489762721

【2】Islam M. Mosa et al. Ultrathin Graphene-Protein Supercapacitors for Miniaturized Bioelectronics, Advanced Energy Materials (2017).

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