植入式柔性医疗电子设备颠覆性地改变了传统医疗设备的刚性物理形态，使其具备轻、薄、柔、小等特点，为实现健康检测、疾病诊断与治疗提供了有力工具，在智慧医疗领域显示出巨大的应用前景。近十年，各类传感功能模块已经取得了较大进展，但是对可植入生物可降解能源系统的研究还非常有限。考虑到体内使用环境的特殊性，开发具有与组织柔软度相匹配、可持续提供电能，并具有良好生物相容性和生物可降解性的电源系统是一个非常大的挑战，特别是生物可降解性可有效解决因电池服役结束而需二次手术移除更换的问题。
基于此，近日兰伟教授领衔的兰州大学柔性电子科研团队针对体内植入特殊应用场景，全部选用生物可降解材料，通过构建异质结和利用凝胶电解质的离子限域效应，获得电化学性能优异的锌离子混合超级电容器，将其作为生物可降解能源系统的电能储存模块。为了提升系统的持续供电能力，将无线充电模块与电能储存模块相集成，构成一体式柔性生物可降解供能系统，该系统能够完全保形地粘附在生物组织三维表面上，不会造成生物组织的任何机械损伤。该系统的设计充分发挥了超级电容器高功率密度和长寿命的优点，又利用电磁耦合基无线充电技术弥补了超级电容器的低能量密度应用瓶颈。将无线充电技术与锌离子混合超级电容器两者结合，可以有效降低无线电磁耦合充电技术长时间工作产生的过热和电磁辐射等负面影响，特别是在高功率生物医学应用中具有重要应用前景。通过细胞毒性评价和生物可降解实验，结果表明所用材料及其降解产物具有良好的生物相容性和生物可降解性。为了展示该生物可降解能源系统的实用性，进行了电场驱动的药物释放应用演示实验。储能模块超级电容器可调控药物释放模块长时间正常工作，能量耗尽后药物释放停止，利用无线充电模块为超级电容器快速充电后，又可驱动药物释放模块长时间正常工作，此结果证实了该能源系统的临床实际应用潜力。通过控制无线充电模块的充电时间，调控储能模块超级电容器中的电能多少，从而起到对药物释放模块的“开-关”作用。该工作为解决植入式医疗电子设备面临的能源供应瓶颈提供了新方案，有望推动可植入医疗电子设备朝着柔性化、多功能化、集成化的方向发展。
相关研究成果以“A soft implantable energy supply system that integrates wireless charging and biodegradable Zn-ion hybrid supercapacitors”为题发表在Science子刊《Science Advances》上。兰州大学为该研究论文的第一完成单位。兰州大学物理科学与技术学院兰伟教授为论文的通讯作者，兰州大学口腔医学院王静教授和美国宾夕法尼亚州立大学余存江教授为共同通讯作者。兰州大学物理科学与技术学院青年研究员盛鸿伟为论文第一作者。大连理工大学解兆谦教授课题组在集成系统的力学理论模拟方面给予了大力支持。
近年来，兰伟教授领衔的柔性电子科研团队面向植入式医疗电子器件领域的关键需求，探索柔性电子技术与医学临床应用的结合点，深耕能源供给方面的应用基础研究和技术瓶颈，取得了系列重要研究进展。2021年，该团队报道了一种轻、薄、柔性的生物可降解超级电容器植入物 (Sheng et al., Sci. Adv., 2021, 7(2): eabe3097)。该植入物可在生物体内正常工作，服役结束后可在体内完全降解吸收，通过新陈代谢排出体外，避免了二次手术移除的问题。该研究工作被国际“柔性电子先驱”John A. Rogers院士给予正面高度评价 (Chem. Rev., 2023, 123(19), 11722-11773)。该工作发表后被上百家网络媒体、报纸和公众号报道和转载，产生了较大的社会影响力，并且新闻报道被写入2021年甘肃省兰州市高考诊断考试语文试卷中，对提升兰州大学社会影响力和高考招生宣传起到了积极作用。该团队还受邀撰写了关于面向植入式医疗电子应用的能源解决方案的综述文章 (Adv. Healthcare Mater., 2021, 10(17): 2100199)，被收录“Wearable and Implantable Devices for Healthcare” 专刊。为了进一步提升能源器件的能量密度，该团队通过构筑异质结增强电极的电荷存储能力，开发了多种生物可降解电化学储能器件，包括生物可降解超级电容器、锌离子电池和镁原电池 (Small, 2023, 19(10), 2205529)。上述这些研究成果作为柔性电子领域重要进展被国内外知名学者引用，施引文献分布在Sci. Adv., Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Mater. Today等几十种期刊上。
上述研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、中央高校基本科研业务费、青海省应用基础研究项目、甘肃省创新之星优秀研究生项目等项目的资助。
文章信息：Sheng H., Jiang L., Wang Q., Zhang Z., Lv Y., Ma H., Bi H., Yuan J., Shao M., Li F., Li W., Xie E., Liu Y., Xie Z., Wang J.*, Yu C.*, Lan W.*, A soft implantable energy supply system that integrates wireless charging and biodegradable Zn-ion hybrid supercapacitors, Sci. Adv., 2023, 9(46): adh8083.
拓展阅读：
[1] Sheng H., Zhou J., Li B., He Y., Zhang X., Liang J., Zhou J., Su Q., Xie E., Lan W., Wang K., Yu C., A thin, deformable, high-performance supercapacitor implant that can be biodegraded and bioabsorbed within an animal body, Sci. Adv., 2021, 7(2): abe3097.
[2] Shao M., Sheng H., Lin L., Ma H., Wang Q., Yuan J., Zhang X., Chen G., Li W., Su Q., Xie E., Wang J., Zhang Z., Lan W.*, High-performance biodegradable energy storage devices enabled by heterostructured MoO3-MoS2 composites[J]. Small, 2022, 202205529.
[3] Sheng H., Zhang X., Liang J., Shao M., Xie E., Yu C.*, W. Lan*, Recent advances of energy solutions for implantable bioelectronics[J]. Adv. Healthcare Mater., 2021, 10(17): 2100199.
