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植入式自驱动系统的新进展

植入式电子医疗器件,如心脏起搏器、深脑刺激器、人工耳蜗等,都面临一个急需解决的问题:电池续航能力不足。植入式摩擦纳米发电机(iTENG)的提出为解决植入式电子器件的能源问题提供了一个可行的参考方案。摩擦发电机主要由两种得失电子能力不同的薄膜材料构成。通过两种材料的摩擦,实现了机械能向电能的转化。将其植入人体内可以实现生物机械能如心跳、呼吸等转化为电能,并驱动电子器件。


植入式自驱动系统的新进展


在将摩擦纳米发电机与电子器件进行整合并能实现植入式的研究制作过程中,需考虑几个关键问题:(1)提高摩擦发电机的能量转化与存储效率。(2)生物相容性好。这是任何植入式器件的必要因素;(3)柔性。因为摩擦纳米发电机是将肌肉运动的机械能转化为电能,自身要发生弯曲、形变,其自身的柔性,决定了收集生物机械能的效率;(4)封装。这是植入式器件必须解决的问题。与陶瓷封装和树脂封装不同,柔性植入式纳米发电机的封装需要使用柔性材料,现在常用的柔性封装材料多为高分子聚合物,如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)等;(5)与其他植入式电子器件的柔性连接。作为能源装置,植入式摩擦纳米发电机转化与收集的电能最终需用于驱动植入式电子器件,二者的连接问题也极为重要。针对上述问题,中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员和王中林研究员课题组提出了一种新型的混合纳米发电机及其通用接头设计,并初步构建了一种可植入体内的自驱动系统。博士生石波璟和郑强助理研究员对纳米发电机中参与摩擦起电过程的两种材料的接触面上进行纳米修饰,同时用压电材料(极化的BaTiO3纳米颗粒)对薄膜进行掺杂,实现了压电效应与摩擦起电效应的耦合,显著提高了纳米发电机输出功率。结果表明,这种新型的混合纳米发电机功率密度比未掺杂的摩擦纳米发电机提高了80%;同时,该研究团队还基于新型纳米发电机的结构和输出特性设计了以高分子聚合物及钛合金为主要材料的通用型“即插即用”接头,兼顾了植入式器件密封、柔性、电能及信号传输的需求,为构建自驱动植入式电子医疗器件提供了一种解决思路。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201503356)上。


今后植入式自驱动系统的研究重点依然在提高能量转化与收集效率,封装及接口等。随着导电高分子材料和封装材料的发展,全柔性植入式电子器件将成为可能,而与植入式柔性摩擦纳米发电机集成的全柔性植入式电子器件,将可能成为新一代植入式电子器件研究的方向。


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