近日，兰州大学物理科学与技术学院兰伟教授课题组联合美国休斯顿大学余存江教授和兰州大学基础医学院王凯荣教授报道了一种轻薄、柔性的全生物可降解超级电容器植入物，兼具高的能量密度和功率密度。该器件全部由绿色、安全、生物相容性的材料构成，工作任务完成后可在生物体内完全降解被吸收，经自然新陈代谢排出体外，无需二次手术移除，具有安全、健康、避免手术痛苦和降低医疗成本等特点。该研究成果以“A thin, deformable, high-performance supercapacitor implant that can be biodegraded and bioabsorbed within an animal body”为题于2021年1月8日发表在Science子刊Science Advances上。该研究有望为下一代生物可降解植入式医疗电子器件或其它瞬态电子器件的供能问题提供能量解决方案。
植入式医疗电子器件近年来备受关注，有望实现健康的实时监测与精准诊疗。目前其能量供应主要依赖于植入式一次电池，它会占据整个器件的大部分质量和体积，在电池耗尽或工作结束后需要通过二次手术去替换或移除。由于电池中包含有毒或有害物质，在植入前需要对其外部进行严格的刚性封装和生物相容性处理。基于此背景，多种植入式能量供应替代方案被提出，包括植入式能量捕获装置（如葡萄糖生物燃料电池、纳米发电机等），无线电力传输技术（如电感耦合/射频、光伏/超声诱导等），但这些方案目前存在不可降解、机械刚性、尺度大、能量低等各种弊端，严重限制了在生物可降解医疗电子器件中的使用。因此，实现具有轻薄、柔性、小尺寸、全生物可降解的能量供应方案一直是个巨大挑战。
超级电容器具有快速充放电、功率密度高和长寿命等特点，可为有源的植入式医疗电子器件进行供能，被认为是一种理想的储能装置。兰州大学柔性电子科研团队采用简单、绿色、可控的电化学氧化策略在水溶性金属钼箔表面原位生长了一层富缺陷的非晶氧化钼（MoOx）微纳米片阵列，将其用作赝电容活性电极，生物相容的海藻酸钠（Alg-Na）水凝胶作为电解质，组装成对称固态超级电容器植入物。封装后的器件可在模拟体液环境（37 ℃，0.1 mM PBS溶液，PH = 7.4）中有效工作长达一个月，且实现了工作寿命的长短可控。器件的能量密度同比高出2个数量级，在不同角度持续弯曲数百次之后，未发现明显的能量衰减。通过器件串并联可为各类商用电子产品进行供能。将该器件植入到Sprague-Dawley（SD）大鼠皮下能正常工作，任务完成之后的半年内，通过一系列水解反应和新陈代谢被自然吸收，对生物体不产生任何不良反应。
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第一通讯作者，美国休斯顿大学余存江教授和兰州大学基础医学院王凯荣教授为论文的共同通讯作者。兰州大学物理科学与技术学院博士生盛鸿伟为论文的第一作者，兰州大学基础医学院博士生周静静为论文的共同一作。兰州大学物理科学与技术学院谢二庆教授、周金元教授、苏庆博士、已毕业本科生李博、在读博士生张雪陶、在读硕士生梁杰，以及兰州大学基础医学院在读硕士贺宇航共同参与了此项研究。本研究得到了国家自然科学基金、甘肃省自然科学基金以及青海省国际合作项目等的共同资助。
原文链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/2/eabe3097.
